Поверка электронного вольтметра В7-26 по напряжению постоянного тока

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования.

«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Университетский политехнический колледж.

«Радиополитехникум».

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Дисциплина: Радиотехнические измерения и их метрологическое обеспечение Тема:

Поверка электронного вольтметра В7−26 по напряжению постоянного тока Выполнил (а) студент гр. 429/11 Медведев С.Д.

Руководитель Сухопарова О.С.

Санкт-Петербург.

Содержание Введение.

1. Теоретическая часть.

1.1 Назначение прибора.

1.2 Принцип действия.

1.3 Технические характеристики.

1.4 Конструкция и структурная схема.

1.5 Правила техники электробезопасности при работе с прибором.

1.6 Выводы.

2. Практическая часть.

2.1 Разработка схемы поверки прибора.

2.2 Методика поверки.

2.3 Источники и составляющие погрешности.

2.4 Характеристики используемых в работе приборов.

2.5 Обработка результатов измерений.

2.6 Выводы Заключение Список используемых сокращений Список используемой литературы.

Введение

Считается, что первый вольтметр изобрел М. Фарадей, причем в 1830 году, ещё за год до того, как он же открыл явление электромагнитной индукции, на котором основано действие целого класса электроизмерительных приборов, и за полвека до принятия единицы напряжения «вольт». Интересно, что чертежей этого вольтметра найти не удалось.

Но есть описание изобретения немецкого физика И. Швейгера, в 1820 году придумавшего прообраз этих приборов — гальваноскоп. Он состоял из одного витка проволоки, внутри которого помещалась магнитная стрелка. При прохождении тока стрелка отклонялась на определенный угол, по которому судили о каких-то электрических показателях. А в 1839 году наш Мориц Якоби отградуировал гальванометр, до этого просто свидетельствовавший о том, что в цепи «что-то есть», с целью количественного измерения параметров электрического тока. Однако самым первым как бы вольтметром был все же «указатель электрической силы, или электрического веса» русского физика Георга Вильгельма Рихмана (1745 г.). Электричество он измерял именно на весах, небольших, рычажных, равновесие которых нарушалось вследствие отклонения одной из чашечек вследствие электростатических взаимодействий (электромагнитное ведь Фарадей тогда еще не открыл). В 1781 году Алессандро Вольта придумал электрометры, в которых использовал бузиновые шарики и, в усовершенствованной модели, лёгкие сухие соломинки.

Лишь сто лет спустя инженер Жак д’Арсонваль сделал магнитоэлектрический гальванометр, в котором подвижным элементом со стрелкой был проводник (катушка) с током, помещенный в поле постоянного магнита. Свой вклад в разработку приборов для измерения электрических величин внес, пожалуй, каждый из видных ученых-электриков и инженеров — практиков. Например, в 1884 г. свой вариант амперметра предложил А. Н. Яблочков. М.О. Доливо-Добровольский разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционный измерительный механизм с вращающимся магнитным полем и подвижной частью в виде диска и применил его в ваттметре и фазометре. Н. Г. Славянов, руководивший в 80-е годы XIX века на Урале металлургическими и пушечными заводами, для своего сварочного автомата (в 80-е годы XIX века — автомата!) собственными руками изготовил амперметр на 1000 ампер. Но все те электроизмерительные приборы могли бы именоваться «напряжометр». Поскольку только в 1881 году на первом международном электротехническом конгрессе были приняты стандарты основных электрических величин, которые и увековечили имена Ампера, и Вольта, Ома, и Вебера и Гаусса… И только после этого в том же 1881 г. немецкий инженер Фридрих Циппенбон с полным правом назвал свой прибор для измерения напряжения вольтметром.

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение — измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.

Электронные вольтметры постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, магнитоэлектрического микроамперметра. Диапазон измерения 100 мВ … 1000 В.

Структурная схема ЭВ переменного тока может иметь 2 вида:

· Выпрямитель, усилитель постоянного тока, магнитоэлектрический измерительный механизм (ИМ).

· Усилитель переменного тока, выпрямитель, магнитоэлектрический ИМ.

Электронные вольтметры, выполненные по первой схеме, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, так как при низких напряжениях выпрямители плохо работают, но имеют более широкий частотный диапазон — от 10 Гц до (100 … 700) МГц. По такой схеме обычно выполняются универсальные вольтметры переменного и постоянного тока. Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 … 0,2 В.

Электронные вольтметры, выполненные по второй схеме, более чувствительны, но имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока.

Электронные вольтметры среднего значения служат для измерения относительно высоких напряжений. Такой вольтметр может быть выполнен по второй схеме с использованием в качестве выпрямителя полупроводникового диодного моста. Диапазон измерения: по частоте — от 10 Гц до 10 МГц; по напряжению — от 1 мВ до 300 В.

Амплитудный ЭВ или диодно-конденсаторный выполняется по первой схеме с использованием преобразователя пикового значения. Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Диапазоны измерения: по частоте — от 20 Гц до 1000 МГц; по напряжению — от 100 мВ до 1000 В. Входное сопротивление — от 100 кОм до 5 МОм.

Электронные вольтметры действующего значения — это приборы, в которых преобразователь выполняется на элементах с квадратичной вольтамперной характеристикой (ВАХ). Диапазоны измерения: по частоте — от 20 Гц до 50 МГц, по напряжению — от 1 мВ до 1000 В.

Электронный омметр представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение. Диапазон измерения этих приборов от 10 Ом до 1000 МОм.

В данном курсовом проекте будет произведена поверка вольтметра В7−26 по параметру напряжению переменного тока.

1. Теоретическая часть.

1.1 Назначение прибора Вольтметр универсальный В7−26 предназначен для измерения постоянного, переменного синусоидального напряжения и сопротивления постоянному току в лабораторных и цеховых условиях.

Рабочие условия эксплуатации:

— температура окружающего воздуха от 263 до 313 К (от минус 10 до + 40°С);

— относительная влажность до 80% при температуре воздуха 298 К (+25 °С);

— атмосферное давление от 86 до 106 кПа (от 650 до 800 мм рт. ст.);

— питание прибора от сети переменного тока напряжением 220 ± 22 В, частотой 50 ±0,5 Гц и содержанием гармоник до 5%;

— отсутствие механических вибраций и мощных постоянных и переменных магнитных полей.

1.2 Принцип действия Измеряемый сигнал постоянного тока поступает непосредственно или через делитель ДН-518 на высокоомный делитель и далее на вход усилителя постоянного тока (УПТ). Сигнал переменного тока поступает непосредственно или через делитель ДН-519 или ДН-518 на детектор и далее через высокоомный делитель на УПТ.

На выходе УПТ подключен измерительный прибор (ИП) с добавочными резисторами, подключаемыми в соответствии с установленным поддиапазоном. Блок питания (БП) состоит из трансформатора, выпрямителей и стабилизатора и служит для питания УПТ и накальной цепи диода в детекторе, а также является источником измерительного напряжения для омметра и используется для компенсации падения напряжения на входном делителе, создаваемого начальным током диода.

Структурная схема прибора (рис. 1.1) состоит из следующих частей:

— высокочастотный делитель ДН-519;

— делитель постоянного и переменного напряжения низкой частоты ДН-518;

— детектор;

— высокоомный делитель на входе усилителя постоянного тока (УПТ);

— УПТ;

— добавочные резисторы к измерительному прибору;

— измерительный прибор — микроамперметр;

— блок питания (БП).

1.3 Технические характеристики электронный вольтметр поверка погрешность Диапазон измеряемых прибором постоянных напряжений от 30 мВ до 300 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 0,3; 1; 3; 10; 30; 100 и 300 В.

Применением внешнего делителя ДН-518 (1: 1000) обеспечивается измерение напряжений до 1000 В.

Диапазон измеряемых прибором переменных напряжений по низкочастотному входу от 200 мВ до 300 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 1; 3; 10; 30; 100 и 300 В в области частот от 20 Гц до 20 кГц. Применением внешнего делителя ДН-518 (1: 1000) в области частот от 20 Гц до 3 кГц обеспечивается измерение напряжений до 1000 В.

Диапазон измеряемых прибором переменных напряжений по высокочастотному входу от 200 мВ до 100 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 1; 3; 10; 30 и 100 В в области частот от 1 кГц до 1000 МГц. Применением внешнего делителя ДН-519 (1: 100) в области частот от 3 кГц до 300 МГц обеспечивается измерение напряжений до 1000 В.

Диапазон измеряемых прибором сопротивлений постоянному току от 10 Ом до 1000 МОм перекрывается поддиапазонами со средней отметкой 100 Ом; 1; 10; 100 кОм; 1; 10; 100 МОм.

Предел допускаемой приведенной основной погрешности прибора при измерении постоянного напряжения, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона, не превышает ±2,5% на поддиапазонах 0,3 — 300 В и ±4% с применением внешнего делителя ДН-518 (1: 1000).

Предел допускаемой приведенной основной погрешности прибора при измерении переменного напряжения, выраженная в процентах от конечного значения, установленного поддиапазона, не превышает значений, указанных в таблице 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1.

Таблица пределов допускаемой основной погрешности при подаче на НЧ вход.

Таблица 1.2.

Таблица пределов допускаемой основной погрешности при подаче на ВЧ вход.

Предел допускаемой основной погрешности прибора при измерении сопротивления постоянному току, выраженная в процентах от длины рабочей части шкалы, не превышает ±2,5%.

Длина рабочей части шкалы 68 мм.

Изменение показаний в процентах в рабочих областях частот относительно показаний на частотах 1 кГц и 1 МГц соответственно, не превышает значений, указанных в таблице 1.3.

Изменение показаний прибора при всех видах измерения напряжений, без внешних делителей, вызванное отклонением температуры в пределах рабочей области температур, не превышает 0,8 значения предела допускаемой основной погрешности на каждые 10 К изменения температуры, 0,7 значения предела допускаемой основной погрешности при использовании внешних делителей и 0,5 значения предела допускаемой основной погрешности при измерении сопротивлений.

Изменение показаний прибора, вызванное изменением напряжения сетевого электропитания от номинального значения в рабочих условиях применения на ±10% и ±5%, не превышает половины предела допускаемой основной погрешности. При отклонении напряжения питания на ±10% допускается коррекция нуля органами управления.

Активное входное сопротивление прибора не менее:

30 МОм — при измерении постоянного напряжения;

5 МОм — при измерении переменного напряжения через входные клеммы на частоте 5 кГц;

75 кОм — при измерении переменного напряжения пробником на частоте 100 МГц.

Входная емкость прибора не превышает:

20 пФ — при измерении через входные клеммы (без емкости присоединительных проводов);

1,5 пФ — при измерении с пробником;

3,0 пФ — при измерении с делителем ДН-519.

Коэффициент стоячей волны тройниковых переходов с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом на частотах от 1 кГц до 1000 МГц не превышает 1,3 при измеряемом напряжении не более 100 В.

Прибор обеспечивает свои технические характеристики в пределах норм, установленных технических условиях (ТУ), после времени самопрогрева, равного 15 мин.

Основная погрешность прибора не превышает норм, указанных в ТУ, при измерении напряжения переменного тока с постоянной составляющей до 250 В и при измерении напряжения постоянного тока с наложенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц не более 10% от измеряемого постоянного напряжения.

Мощность, потребляемая прибором от сети при номинальном напряжении не превышает 10 В•А.

Габаритные размеры прибора не более 232 X 211 X 179 мм. Габаритные размеры транспортной тары не более 674 X 602 Х 578 мм.

Масса прибора не более 4,5 кг. Масса прибора в транспортной таре не более 20 кг.

Таблица 1.3.

Таблица зависимости показаний от изменения частоты.

1.4 Конструкция и структурная схема Конструкция Вольтметр универсальный В7−26 выполнен в виде настольного переносного прибора.

Каркас прибора состоит из передней и задней рам, соединенных стяжками. На задней раме закреплена откидывающаяся печатная плата с элементами схемы.

Внешний вид вольтметра В7−26 представлен на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Внешний вид вольтметра В7−26.

На передней панели прибора расположены:

1) измерительный показывающий прибор;

2) ручка переключения рода работ;

3) ручка переключения поддиапазонов измерения;

4) входные клеммы U, *, ;

5) ручка потенциометра установки электрического нуля при измерении постоянного напряжения и сопротивления постоянному току УСТ. 0Ш2;

6) ручка потенциометра установки электрического нуля при измерении переменного напряжения УСТ. 01VU;

7) ручка потенциометра установки бесконечности при измерении сопротивления постоянному току УСТ.? ?;

8) гнездо для пробника;

9) индикатор включения прибора;

10) тумблер включения напряжения сети СЕТЬ.

На печатной плате смонтирован усилитель постоянного тока (УПТ), стабилизатор накала, выпрямитель для питания УПТ, образцовые резисторы входного делителя и потенциометры для регулировки коэффициента деления входного делителя.

На заднюю стенку выведены шнур питания, держатель предохранителя, клеммы выхода ВЫХОД, предусмотренные для автоматизации контроля прибора при его выпуске, и клемма заземления.

На каркасе с левой стороны прибора расположены потенциометры для регулировки соответствующих поддиапазонов измерения, а с правой стороны закреплен трансформатор.

Регулировка прибора производится при снятом кожухе. Для обеспечения высокой резонансной частоты детектора последний выполнен в виде выносного пробника. При измерении высокочастотного напряжения на пробник предварительно надевается высокочастотный колпачок.

При измерении низкочастотного напряжения (через входные клеммы U, *1 высокочастотный колпачок снимается и пробник устанавливается в гнездо Гн1.

Делитель высокочастотного (ВЧ) напряжения ДН-519 имеет цилиндрическую форму и размеры, позволяющие надевать его непосредственно на пробник.

Делитель постоянного и низкочастотного (НЧ) напряжения ДН-518 выполнен в виде щупа.

Структурная схема вольтметра В7−26 представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Структурная схема вольтметра В7−26.

1.5 Правила техники электробезопасности при работе с прибором Корпус прибора необходимо заземлить. Клемма для заземления корпуса находится на задней панели. Нельзя эксплуатировать прибор при снятом кожухе.

При измерении напряжений выше 500 В работа должна проводиться с применением резиновых ковриков и перчаток. Запрещается присоединять к пробнику и отсоединять от него делитель напряжения ДН-519 при поданном напряжении.

Прибором нельзя измерять сопротивление элементов, находящихся под напряжением.

При вскрытии прибора для ремонта и регулировки необходимо соблюдать меры предосторожности, так как на выводах 1 и 2 трансформатора, на предохранителе и на тумблере включения сети имеется напряжение 220 В.

1.6 Выводы В данной курсовой работе было рассмотрено назначение прибора, принцип его действия, его технические характеристики, конструкция и структурная схема.

В7−26 — многофункциональный вольтметр среднего класса точности, предназначенный для измерения напряжения постоянного и переменного тока, сопротивления по постоянному току, отношения двух напряжений постоянного тока, отношения напряжения переменного тока к напряжению постоянного тока. Предусмотрены следующие режимы работы: измерения параметров, автоматический выбор поддиапазонов измерения, разовый запуск.

В дальнейшем будут приведены результаты поверки прибора В7−26 по напряжению постоянного тока.

2. Практическая часть.

2.1 Разработка схемы поверки прибора При разработке схемы поверки перед техниками стоят основные задачи:

1) Выбор образцового СИ;

2) Определение технических характеристик образцового СИ;

3) Составление схемы поверки.

В качестве образцового СИ в паспорте пробора выбрана установка для поверки вольтметров В1−8, так как его технические характеристики соответствовали основным требованиям.

Однако в данной работе в качестве образцового СИ была применена установка для поверки вольтметров В1−2, так как она точно также удовлетворяла основные требования. В таблице 2.1 приведены основные технические характеристики двух установок для поверки вольтметра В7−26 по напряжению постоянного тока.

Таблица 2.1.

Основные технические характеристики.

Учитывая все требования, была разработана схема поверки прибора В7−26 по напряжению постоянного тока, она представлена на рисунке 2.1.

Рис 2.1 Схема соединения приборов при поверке по напряжению постоянного тока.

2.2 Методика поверки Поверка электронных вольтметров выполняется метрологической службой для установления их пригодности к применению. Сущность поверки состоит в определении соответствия поверяемого прибора его метрологическим характеристикам.

Поверка электронных вольтметров включает в себя следующие операции: внешний осмотр; опробование; определение погрешности в нормальной области частот; определение погрешности в расширенной области частот.;

Поверка аналоговых электронных вольтметров постоянного тока выполняется в соответствии с ГОСТ 8.402−80 «Вольтметры электронные аналоговые постоянного тока. Методы и средства поверки».

Поверка вольтметров может выполняться одним из двух методов:

— методом прямых измерений, поверяемым вольтметром напряжения, воспроизводимого образцовыми установками В1−2, В1−4, B1−8, В1−16 и т. д.;

— методом непосредственного сличения показаний образцового и поверяемого вольтметров, подключенных к источнику измеряемого напряжения параллельно или через делитель напряжения.

При выборе метода и образцового прибора необходимо обеспечивать, чтобы среднеквадратическая величина из значений погрешностей образцового прибора и метода поверки была, по крайней мере, в три раза меньше допустимой погрешности поверяемого прибора.

По окончании поверки составляется протокол..

В настоящей работе выполняется частичная поверка универсального вольтметра типа В7−26 по напряжению постоянного тока на установке для поверки вольтметров В1−2.

2.3 Источники и составляющие погрешности Основными составляющими погрешности являются систематические и случайные.

Систематические погрешности. Источниками систематических составляющих. Погрешности измерения могут быть объект и метод измерения, средства измерения, условия измерения и экспериментатор. При этом оценивание систематических составляющих представляет достаточно трудную метрологическую задачу. Важность ее определяется тем, что знание систематической погрешности позволяет ввести соответствующую поправку в результат измерения и тем самым повысить его точность. Трудность же состоит в сложности обнаружения систематической погрешности, поскольку ее невозможно выявить путем повторных измерений (наблюдений).

Действительно, будучи постоянной по величине для данной группы наблюдений, систематическая погрешность никак визуально не проявится при повторных измерениях одной и той же величины и следовательно, оператор затруднится ответить на вопрос — имеется ли систематическая погрешность в наблюдаемых результатах. Таким образом, проблема обнаружения систематических погрешностей едва ли не главная в борьбе с ними.

Обычно систематическая погрешность результата измерения рассматривается по составляющим в зависимости от источников их возникновения.

В основу классификации систематических погрешностей положена закономерность их поведения во времени.

По характеру изменения во времени систематические погрешности разделяют на постоянные и переменные.

Постоянными называют такие систематические погрешности измерения, которые остаются неизменными (сохраняют величину и знак) в течение всей серии измерений.

Переменными называют погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Наличие существенной переменной систематической погрешности искажает оценки характеристик случайной погрешности. Поэтому она должна обязательно выявляться и исключаться из результатов измерений.

Случайные погрешности. Если при проведении с одинаковой тщательностью и в одинаковых условиях ряда наблюдений одной и той же физической величины получены отличающиеся друг от друга результаты, то это свидетельствует о наличии в них случайных погрешностей. Каждая такая погрешность обусловлена одновременным воздействием на результат наблюдения многих случайных возмущений и сама является случайной величиной. При этом оценить результат отдельного наблюдения и исправить его введением поправки невозможно. С определенной долей уверенности можно утверждать, что истинное значение измеряемой величины находится в интервале результатов наблюдений от Xmin до Xmax, где Xmin, Xmax — соответственно нижняя и верхняя границы интервала. Вместе с тем остается неясным, чему равна вероятность появления того или иного значения погрешности, какое из множества лежащих в этом интервале значений величины принять за результат измерения и какими показателями охарактеризовать случайную погрешность результата.

Чтобы ответить на эти вопросы, необходим совершенно иной, чем при анализе систематических погрешностей, подход. Этот подход базируется на рассмотрении результатов наблюдений, результатов измерений и случайных составляющих погрешностей как случайных величин. Методы теории вероятностей и математической статистики позволяют установить вероятностные (статистические) закономерности появления случайных погрешностей и на основании этих закономерностей дать оценки результата измерения и его случайной погрешности.

2.4 Характеристики используемых в работе приборов Для поверки вольтметра по напряжению постоянного тока была применена установка В1−2, технические характеристики которой приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Таблица характеристик используемых в работе приборов.

2.5 Обработка результатов измерений Результаты поверки прибора В7−26 по напряжению постоянного тока представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3.

Результаты поверки вольтметра В7−26 по напряжению постоянного тока.

Номинальная погрешность результата измерения была вычислена по формуле 2.1.

(2.1).

где — показания отсчетного устройства.

Приведённая погрешность результата измерения была вычислена по формуле 2.2.

(2.2).

где — большая по абсолютной величине номинальная погрешность;

— поверяемая отметка шкалы, для которой проводится пересчёт;

— конечная числовая отметка шкалы.

Допустимая погрешность была взята из паспорта прибора В7−26 и составляет ±2,5%.

2.6 Выводы В ходе поверки вольтметра В7−26 по напряжению постоянного тока максимальная погрешность составила 2,49% при допуске 2,5%.

Прибор по поверенному параметру годен к эксплуатации.

Заключение

.

Цель курсового исследования достигнута путём реализации поставленных задач. В результате поверки вольтметра можно сделать ряд выводов.

Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений — это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, то есть находим ее значение.

Напряжения измеряют в диапазоне от единиц микровольт до сотен киловольт.

Различные методы и средства измерений позволяют получать результаты измерений с погрешностями, составляющими тысячные доли процента, а токов — сотые доли процента. С наивысшей точностью измеряются постоянные напряжения. Напряжения измеряют как приборами непосредственной оценки (электромеханической и электронной групп), так и приборами, реализующими методы сравнения. Широко применяются косвенные методы измерения.

Приборы, предназначенные для прямого измерения напряжений, называют вольтметрами, милливольтметрами, киловольтметрами. Их подключают параллельно участку цепи, напряжение на котором нужно измерить.

Вольтметр В7−26, не смотря на то, что он морально устарел, используется до сих пор.

Список используемых сокращений ЭВ — электронные вольтметры ИМ — измерительные механизмы ВАХ — вольтамперная характеристика.

УПТ — усилитель постоянного тока БП — блок питания ДН — делитель напряжения ИП — измерительный прибор НЧ — низкочастотный.

ВЧ — высокочастотный ТУ — технические условия Уст — установка.

ГОСТ — Государственный стандарт.

Список используемой литературы.

1.Раннев Г. Г. Информационно-измерительная техника и технологии. М.: Высшая школа, 2002.

2. Вольтметр универсальный В7−26. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1979.

3. Методические указания по выполнению лабораторной работы «Поверка электронных вольтметров».

4. http://metrolog.aci.uz/book₄.3.htm.