Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Методические указания к лабораторной работе № 2
по дисциплине ”Метрология, стандартизация и сертификация”
для студентов всех форм обучения специальностей:
210100 - Управление и информатика в технических системах;
220100 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.
330100 – Безопасность жизнедеятельности в техносфере
Екатеринбург 2006
УДК 621.317
Автор Э. Г. Миронов
Научный редактор доц., канд. техн. наук Н.П. Бессонов
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ: Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине “Метрология, стандартизация и сертификация” / Э. Г. Миронов.
Екатеринбург: УГТУ – УПИ 2006. 17с.
Методические указания содержат описание лабораторной работы по исследованию аналоговых электронных средств измерений. Приводятся описания звукового генератора, электронного осциллографа и лампового вольтметра цифрового частотомера, а также порядок их практического использования при проведении экспериментов. Даются подробные указания по практической части работы.
Библиогр.: 8 назв. Рис. 7. Табл. 5. Прил. 6.
Подготовлено кафедрой "Автоматика и информационные технологии".
© Уральский государственный технический университет УПИ, 2006
© Миронов Э. Г., 2006.
Работа №2
Электронные средства измерений
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является изучение принципа действия и освоение практического использования генератора синусоидальных электрических колебаний, электронного осциллографа, аналогового электронного вольтметра и цифрового электронного частотомера.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
После изучения принципа действия и освоения практического использования генератора, осциллографа, электронного вольтметра и цифрового частотомера проводятся следующие экспериментальные исследования:
- оценка формы сигнала на выходе генератора с помощью осциллографа;
- измерение частоты и фазы напряжения на выходе генератора с помощью осциллографа;
- определение коэффициента трансформации по напряжению заданного трансформатора;
- измерение частоты напряжения на выходе генератора с помощью цифрового электронно – счетного частотомера.
По результатам проведенных экспериментов составляется отчет по работе.
Технические характеристики используемых средств измерений приведены в приложениях к данным методическим указаниям.
Подключение средств измерений к исследуемой цепи следует проводить соблюдая общие правила подключений (сначала подключается общий, “земляной”, вывод соединительного кабеля к общей ,”земляной”, клемме исследуемой цепи, а затем потенциальный вывод соединительного кабеля подключается к потенциальной клемме исследуемой цепи).
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
3.1. Исследование сигналов на выходе генератора
Для исследования сигналов на выходе генератора с помощью электронного осциллографа собрать схему, приведенную на рис. 1.
ЭО
кс
Г y x
Рис. 1. Схема эксперимента при исследовании формы сигнала:
Г - генератор;
ЭО - электронный осциллограф
После проверки схемы преподавателем включить приборы и прогреть их в течении 5 минут. Убедиться в работоспособности используемых приборов, изменяя положение органов управления и фиксируя результаты этих измерений.
Провести исследование сигналов на выходе генератора. Для этого установить последовательно три значения выходного напряжения при разных частотах и зарисовать сигналы, полученные на экране осциллографа. Значения напряжений (от 1 до 30 В) и частот (от 100 Гц до 100 кГц) выбираются студентами самостоятельно и устанавливаются с помощью органов управления генератора, используя при этом встроенный вольтметр и регуляторы частоты выходного напряжения.
3.2. Измерение частоты
Измерение частоты напряжения на выходе генератора проводится с помощью осциллографа по схеме, приведенной на рис. 2.
ЭО
Контрольный
сигнал ( ) Исследуемый
сигнал ( ) Г
y x
Рис. 2. Схема эксперимента при измерении частоты
Измерение частоты в данной работе проводится при помощи фигур Лиссажу. При этом используются следующие положения.
Если опорная частота и измеряемая частота соотносятся как простые целые числа, то на экране осциллографа наблюдаются неподвижные фигуры, называемые фигурами Лиссажу. В работе опорная частота =50 Гц “снимается” с клемм осциллографа “Контрольный сигнал”. Измеряемая частота подается на осциллограф с генератора.
Для получения фигур необходимо выключить генератор развертки осциллографа, установить частоту выходного напряжения генератора равную (последовательно) 25, 50, 75, 100, 150, 200 Гц и, подбирая усиление осциллографа по «x» и по «у», а также подстраивая частоту генератора, добиться устойчивых осциллограмм на экране и зарисовать их для каждой из рассмотренных частот.
По фигурам Лиссажу неизвестная частота определяется с использованием формулы:
(1)
где
- измеряемая частота;
- опорная (известная) частота;
- число точек касания фигуры с вертикальной линией;
- число касания фигуры с горизонтальной линией.
В качестве примера одна из фигур Лиссажу приведена на рис. 3.
Рис. 3. Пример фигуры Лиссажу
На рис. 3 приняты следующие обозначения:
1 - вертикальная линия,
2 - горизонтальная линия,
3 - точка касания с вертикальной линией ( = 2),
4 - точка касания с горизонтальной линией ( = 1),
5 - фигура Лиссажу,
6 - экран осциллографа.
3.3. Измерение фазовых сдвигов
Для измерения фазового сдвига с помощью осциллографа методом эллипса собирается схема, приведенная на рис.4.
ЭО
Г
y x
R C
Рис. 4. Схема эксперимента при измерении фазовых сдвигов
(R = 50 кОм; C = 0,05 мкФ)
Для реализации измерения фазового сдвига методом эллипса между напряжениями на входах осциллографа «X» и «У» необходимо выключить генератор развертки осциллографа и получить на экране фигуру, приведенную на рис. 5.
a c d b
Рис. 5. Фигура на экране осциллографа при измерении фазового сдвига методом эллипса
Эксперимент проводится на частотах 25, 50, 100, 200, 300, 400 Гц. Для каждой из частот по формуле (2) подсчитывается .
(2)
где - сдвиг по фазе;
и - отрезки на экране осциллографа (см. рис.5).
Результаты эксперимента вносятся в табл.1.
Таблица 1
Результаты экспериментов и расчетов
, Гц |
, мм |
, мм |
|
, град |
Примечание |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
25 |
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
3.4. Измерение коэффициента трансформации
Коэффициент трансформации измеряется на заданной частоте по схеме, приведенной на рис. 6.
Тр
1 2
Г V2
1 2
Рис.6. Схема измерения коэффициента трансформации:
Тр - трансформатор;
- напряжение на первичной обмотке Тр;
- напряжение на вторичной обмотке Тр;
Г - генератор;
V1, V2 - вольтметры.
Значение напряжения и его частота устанавливаются в соответствии с вариантом задания (см. табл. 2).
Таблица 2.
Номер варианта |
Частота, кГц |
Напряжение , В |
Примечание |
1 |
5 |
7; 8; 9; 10 |
Использованы приборы: |
2 |
7 |
6; 7; 8; 9 |
|
3 |
9 |
5; 6; 7; 8 |
|
4 |
11 |
4; 5; 6; 7 |
|
При проведении эксперимента для каждого заданного напряжения проводится по два измерения (одно при подходе к заданному напряжению “слева ” и второе при подходе к заданному напряжению “справа ”).
Заданные напряжения и полученные в ходе эксперимента напряжения заносятся в табл. 3.
Таблица 3
Результаты экспериментов и расчетов
, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
,В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение коэффициента трансформации определяется по формуле (3)
(3)
Рассчитанное значение заносится в табл. 3 при составлении отчета по работе.
При обработке результатов эксперимента используются следующие соотношения:
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
где
- среднее арифметическое значение (результат измерения);
- число измерений;
- результат i-го измерения;
- верхний предел шкалы используемого вольтметра;
σ- среднее квадратичное отклонение (СКО);
σ - СКО результата измерения (среднего арифметического значения);
- абсолютная случайная погрешность результата измерения;
- коэффициент Стьюдента, зависящий от принятой доверительной вероятности и числа измерений (см. прил.1);
- относительная не исключенная систематическая погрешность (НСП) результата измерения;
- коэффициент, зависящий от принятой доверительный вероятности и закона распределения результатов измерений (для доверительной вероятности Р=0,95 к=1,1);
- относительные погрешности, обусловленные используемыми вольтметрами и и зависящие от классов точности этих вольтметров (если классы точности заданы в виде приведённых погрешностей и , то и оцениваются соотношениями (9) и (10));
- верхние приделы измерения вольтметров и (на используемых диапазонах измерения);
- минимальные значения напряжений и , получаемые при проведении измерений;
- абсолютная не исключенная систематическая погрешность;
- коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности и отношения (см. прил.2);
- абсолютная и относительная погрешности результата многократного косвенного измерения.
Формула (12) используется, если правомерно соотношение (14).
Если < 0,8, то ; если > 8,0, то ;
Результаты расчетов сводятся в табл. 4 после округления по принятым
в метрологии правилам.
Таблица 4
Свободная таблица
Параметры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение параметра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Табл. 4 заполняется при составлении отчёта.
3.5.Измерение частоты генератора
Частота напряжения на выходе генератора измеряется по схеме, приведенной на рис. 7.
Г Ч
Рис. 7. Схема измерения частоты на выходе генератора:
Г - генератор;
Ч - цифровой электронно-счетный частотомер.
Частота измеряется в диапазоне от 1 до 4 кГц (конкретное значение частоты выбирается студентами самостоятельно). Результаты измерений заносятся в табл.5.
Таблица 5
Результаты измерений частоты
Измеряемая частота , кГц |
Показания частотомера, кГц |
Примечание |
||||
|
|
…………………….. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
........ кГц ..... кГц |
В табл. 4 приняты следующие обозначения:
- исследуемое значение частоты на выходе генератора, установленное с помощью лимба и переключателя “множитель”;
- показание частотомера при подходе к исследуемой частое “слева”;
- показание частотомера при подходе к исследуемой частое “справа”;
- среднее арифметическое значение частоты;
- абсолютное значение погрешности результата измерения.
При обработке результатов эксперимента используются соотношения (4), (5), (6), (7) и (8), приведенные выше, для оценки величин . Величины и , входящие в выражение (8), являются относительными погрешностями установки частоты генератора ( ) и измерения частоты частотомером ( ). Для генератора ГЗ-33 значение . Значение для используемого частотомера ЧЗ-32 много меньше значения и им можно пренебречь.
(15)
где и - определены выше.
(16)
где (17)
(18)
(19)
- абсолютная суммарная погрешность результатов прямых многократных измерений.
(20)
где - относительная суммарная погрешность.
Выражение (16) правомерно, если выполняется условие
(21)
Если условие (21) не выполняется, то приравнивается к большему из слагаемых ( или ). Результаты расчетов сводятся в таблицу, аналогичную таблице 4, приведенной выше.
7. Отчет по работе
Отчет должен содержать: титульный лист, описание проведенных экспериментов, схемы соединений, таблицы с экспериментами и расчетными значениями рассматриваемых величин, формулы, по которым были проведены расчеты, графики и, при необходимости, диаграммы.
В отчёте также должно быть дано краткое объяснение проведенных экспериментов и выводы, которые можно сделать на основании полученных данных. Таблица и графики должны быть пронумерованы и иметь наименование.
Отчёт по работе в законченном виде представляется преподавателю в начале очередного занятия.
После просмотра отчёт с замечаниями (если они есть) возвращается студенту для внесения исправлений. Если замечаний нет, то работа засчитывается, а отчет передается в архив кафедры.
Контрольные вопросы
Принципы построения и основные характеристики генератора типа ГЗ-33, осциллографа ЭО-7 и милливольтметра ВЗ-13.
Как сказывается изменение параметров напряжения развертки (амплитуды, частоты, линейности) на изображении сигнала, подаваемого на вход “У” осциллографа?
Как сказывается изменение фазы между напряжениями, подаваемыми на входы “X” и ”У” осциллографа?
Список литературы
Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. Е. М. Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 480 с.
Кузнецов В. А., Ялунина Г. А. Основы метрологии: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во стандартов, 1995. 312 с.
Миронов Э. Г. Погрешности измерений: Учеб. пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994. 84 с.
Миронов Э.Г. Основы метрологии: Учеб. пособие. Екатеринбург: ' Изд-во УГТУ, 2000. 113с.
ГОСТ 8.007-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.
ГОСТ 8.401-80 ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования.
МИ 1552-86. ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений.
2083-90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей
Приложение 1
Значения коэффициента Стьюдента
Число измерений (n) |
Доверительная вероятность (Р)
|
|
0,95 |
0,99 |
|
4 |
3,18 |
5,84 |
6 |
2,57 |
4,03 |
8 |
2,37 |
3,50 |
10 |
2,26 |
3,25 |
12 |
2,20 |
3,11 |
16 |
2,13 |
2,95 |
20 |
2,09 |
2,86 |
25 |
2,06 |
2,80 |
30 |
2,05 |
2,76 |
60 |
2,00 |
2,66 |
120 |
1,98 |
2,62 |
|
1,96 |
2,58 |
Приложение 2
Значение коэффициентов
|
0,8 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
0,76 |
0,74 |
0,71 |
0,73 |
0,76 |
0,78 |
0,79 |
0,80 |
0,81 |
|
0,86 |
0,82 |
0,80 |
0,81 |
0,82 |
0,83 |
0,83 |
0,84 |
0,85 |
Приложение 3
ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ГЗ-33
Краткая техническая характеристика
Генератор типа ГЗ-33 представляет собой источник синусоидальных электрических напряжений звуковых и ультразвуковых частот. Диапазон частот генератора разбит на четыре поддиапазона:
от 20 до 200 Гц; от 200 Гц до 2 кГц;
от 2 до 20 кГц; от 20 до 200 кГц.
Погрешность установки частоты……………………………..2%
Максимальная выходная мощность………………………….5 Вт
Нелинейные искажения……………………………………….3%
Изменение выходного напряжения осуществляется плавно, а также ступенями от 10 до 100 дБ.
Максимальное выходное напряжение не менее 40 В.
Погрешность измерения выходного напряжения встроенным в генератор вольтметром не превосходит следующих значений от верхнего предела измерений:
2,5% в диапазоне частот от 20 до 5000 Гц;
3,5% в диапазоне частот от 5 до 20 кГц;
5,0% в диапазоне частот от 20 до 200 кГц.
Примечание. Верхний предел измерения устанавливается с помощью переключателя аттенюатора “Пределы шкал, ослабление”.
Питание генератора производится от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.
Приложение 4
Электронный осциллограф типа эо - 7
Краткая техническая характеристика
Электронный осциллограф ЭО - 7 (С 1 - 1 по стандартной классификации наименований и обозначений) предназначен для визуального наблюдения на экране электронно-лучевой трубки электрических сигналов, а также для оценки частоты и фазовых сдвигов исследуемых сигналов.
Основные характеристики осциллографа:
Чувствительность по вертикальному каналу ...………….... 0,25 см/мВ эфф.
Коэффициент вертикального усилителя .........……………. 1800.
Частотный диапазон от 2 Гц до 250 кГц.
Входное сопротивление ………...................……………....... 2 МОм.
Входная емкость ....................................……….…………….. 3 пФ.
Чувствительность по горизонтальному каналу …………..... 4,5 см/В эфф.
Коэффициент усиления горизонтального усилителя ............. 35.
Частотный диапазон развертки от 2 Гц до 50 кГц.
Приложение 5
Электронный аналоговый вольтметр типа вз-13
Краткая техническая характеристика
Электронный аналоговый прибор (ламповый милливольтметр) типа ВЗ-13 построен на электронных лампах и предназначен для измерения эффективных напряжений в широком диапазоне частот.
Основные характеристики прибора:
- пределы измерения напряжения 3-10-30-100-300 мВ, 1-3-10-30-100-300 В;
- частотный диапазон измеряемых напряжений от 20 Гц до 1 мГц;
- основная приведенная погрешность ± 4%;
- входное сопротивление ...................... 1 МОм;
- входная ёмкость .................................25 пФ.
Приложение 6
Электронно - счетный частотомер чз – 32
Краткая техническая характеристика
Диапазон измеряемых частот от 10 Гц до 3 МГц
Диапазон частот при измерении периода от 10Гц до 100 кГц
Диапазон измеряемых интервалов времени от до с
Разрешающая способность …………………..…………… нс
Предел измерения отношения частот …………………
Напряжение входного сигнала
Синусоидального …………………………………………(0,1 - 100) В
Импульсного…………………………………………………….—
Нестабильность частоты кварцевого
генератора за 1сут ………………………………. Гц
Габаритные размеры, мм ………………………..…..
Масса ……………………………………………………... 9 кг
Погрешность измерения частоты ………………………… ед. сч.
Электронные средства измерений
Автор Миронов Эдуард Георгиевич
Р едактор Н.П. Кубыщенко
Подписано в печать 28.01.2000 Формат 60х84 1/16
Бумага типографская Плоская печать Усл.печ.л. 1, 2
Уч.-изд.л. 1,06 Тираж Заказ 39 Цена "С"
И здательство УГТУ
620002, Екатеринбург, Мира, 19