Laboratorium miernictwa elektronicznego

Pomiar napięcia i prądu stałego przyrządami analogowymi

i cyfrowymi.

Patryk Wojciechowski Wydział Elektroniki Data:22 maja 1998

Cel ćwiczenia:

Poznanie podstawowych parametrów typowych woltomierzy i amperomierzy napięcia stałego oraz wykorzystaniu ich do pomiarów w różnych obwodach. Ćwiczenie wskazuje jak parametry przyrządu i obwodu mogą wpływać na wynik pomiaru.

Program ćwiczenia:

1. Pomiar napięcia stałego na wyjściu

• zasilacza napięciowego;

• dzielnika napięć.

2. Pomiar natężenia prądu stałego w zadanym obwodzie.

3. Pomiar natężenia prądu za pomocą zmontowanego amperomierza.

Spis przyrządów:

1.Woltomierz magnetoelektryczny LM-3

kl=0,5 R_V=1000Ω/V

2. Woltomierz elektromagnetyczny LE-3

kl=1 7,5V—100mA 15-60V—50mA

3. Multimetr cyfrowy VC-10T (z prostownikiem impulsowym)

dla napięć:

0,1%±1dig R_W=1000MΩ (zakres 0,2V i 2V)

R_W=10MΩ (zakresy pozostałe)

dla prądów:

0,3%+0,1% R_W=10Ω (zakres 20 mA)

R_W=1Ω (zakres 200 mA)

R_W=0,1Ω (zakres 1A)

4. Woltomierz cyfrowy V541 ( z potrójnym całkowaniem)

0,05%±0,01%pełnej skali R_W=10MΩ

5. Miliamperomierz magnetoelektryczny LM-3

kl=0,5 R_W=

6.Zasilacz napięcia ZNR-7 o regulowanej rezystancji w zakresie od 0,5 do

500 Ω .

7.Źródło napięcia wzorcowego o zakresie 0÷20V I_MAX=30mA.

Ad1.

Pomiar napięcia na wyjściu zasilacza, przy zmianie jego rezystancji.

Schemat układu pomiarowego.

	RW=0,5Ω	RW=5Ω	RW=50Ω	RW=500Ω
	UZM	UZM	UZM	UZM
LM-3	5,95[V]	5,95[V]	5,90[V]	5,55[V]
ΔUm	-0,01	-0,01	-0,04	-0,37
LE-3	5,80[V]	5,50[V]	3,5[V]	0,7[V]
ΔUm	-0,04	-0,37	-2,3	-4,7
VC 10T	5,90[v]	5,88[V]	5,89[v]	5,88[V]
ΔUm	-	-	-	-
V541	5,877[V]	5,870[V]	5,870[V]	5,871[V]
ΔUm	-	-	-	-

Wskazanie mierników analogowych obarczone jest błędem, wynikającym ze skończonej rezystancji R_v

Gdzie U - napięcie zmierzone

U_∞ - napięcie w stanie rozwarcia (bez obciążenia R_v)

R_w - rezystancja wewnętrzna źródła

R_v - rezystancja wewnętrzna woltomierza

Błąd ten jest błędem metody.

Można przyjąć, że woltomierz cyfrowy nie wnosi błędu metody spowodowanego rezystancją wewnętrzną R_v (błąd → 0, gdyż w mianowniku jest ∞)

Z uzyskanych wyników wynika, że zmiana rezystancji wewnętrznej źródła nie wpływa na wskazania woltomierzy cyfrowych gdyż posiadają one bardzo dużą rezystancję wewnętrzną. Natomiast w przypadku woltomierzy analogowych a zwłaszcza elektromagnetycznego ( posiadającego małą rezystancję wewnętrzną - 75Ω) wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej źródła widoczny jest efekt rozpływu prądów, który powoduje niezdolność miernika do pomiarów .

Pomiar napięcia na wyjściu dzielnika rezystancyjnego.

Schemat układu pomiarowego.

E Źródła	K - Stała dziel.	RWE Dzielnika	RW Źródła	UWY LM-3	UWY V541	UWY LM-3 Oblicz.	UWY V541 Oblicz.	δUWY LM-3	δUWY V541
20 [V]	0,5	1 [M.Ω]	0,5 [Ω]	6,0 [mV]	9,757 [V]	5,9[mV]	9,754[V]	1,7[%]	0,03[%]
20 [V]	0,5	1 [M.Ω]	500 [Ω]	6,0 [mV]	9,751 [V]	5,9[mV]	9,749[V]	1,7[%]	0,02[%]
20 [V]	0,5	1 [kΩ]	0,5 [Ω]	9,92 [V]	9,983 [V]	9,83[V]	9,994[V]	0,9 %]	-0,11[%]
20 [V]	0,5	1 [kΩ]	500 [Ω]	6,41 [V]	6,627 [V]	6,38[V]	6,666[V]	0,5[%]	-0,59[%]

Wzory i przykładowe obliczenia:

dla pomiarów 1 i 2 (LM-3)

dla pomiarów 3 i 4 (LM-3)

dla pomiarów V541

Wykonane ćwiczenie uzmysłowiło nam jak ważne jest dobór rezystancji miernika do rezystancji obwodu. Miernik analogowy w przypadku pomiarów 1 i 2 ( dzielnik wysokoomowy ) mimo zmiany zakresu nie zmieniał swego wychylenia. Spowodowane to było jego znikomą rezystancją wewnętrzną w porównaniu z rezystancją dzielnika. Zmiana rezystancji wewnętrznej źródła nie powoduje żadnych widocznych zmian. Natomiast w przypadku dzielnika 1kΩ wzrost rezystancji wewnętrznej źródła spowodował spadek napięcia na woltomierzu (powstał dzielnik 2/3, złożony z rezystancji wewnętrznej źródła, rezystancji dzielnika oraz rezystancji wypadkowej dzielnika i woltomierza ). Ze względu na swoją wysoką rezystancję woltomierze cyfrowe zachowują poprawne wskazania z wyjątkiem ostatniego pomiaru, gdzie powstała taka sama sytuacja jak opisana powyżej.

Ad 2. Pomiar prądu metodą bezpośrednią.

Schemat pomiarowy.

U	R0	I V541	ΔgI	δgI	δm	ΔmI	I±ΔgI	I LM-3	ΔgI	δgI	δm	ΔmI	I±ΔgI
[V]	Ω	mA	mA	%	%	mA	mA	mA	mA	%	%	mA	mA
1	50	19,60	0,30	1,3	-1,9	-0,37	19,97 ±0,30	19,04	0,15	0,8	-1,4	-0,27	19,31 ±0,15
	500	1,92	0,03	1,3	-1,9	-0,04	1,96 ±0,03	1,88	0,02	0,8	-1,5	-0,03	1,91 ±0,02
10	50	201,0	2,0	0,8	-0,2	-0,4	201,4 ±2,0	197,2	1,5	0,8	-0,2	-0,4	197,6 ±1,5
	500	20,7	0,3	1,3	-0,2	-0,04	20,8 ±0,3	20,08	0,15	0,8	-0,2	-0,04	20,12 ±0,03
	5k	2,01	0,08	4,1	-0,2	-0,01	2,02 ±0,08	2,004	0,026	0,8	-0,2	-0,004	2,008 ±0,02

Na podstawie uzyskanych wyników możemy stwierdzić, że występujący podczas pomiaru błąd metody nawet w przypadku przyrządu analogowego jest niewielki. Jego uwzględnienie powoduje zmiany wyników na ostatnim miejscu.

Ad 3. Pomiar prądu w obwodzie za pomocą zmontowanego

amperomierza

Schemat pomiarowy.

R₀

E

R V

E	R0	U	IZM	ITEO	ΔgI	δgI	ΔM	I±ΔgI
[V]	Ω	mV	mA	mA	mA	%	mA	mA
1	50	18,99	18,99	19,61	0,02	0,01	-0,62	19,61±0,02
	500	1,96	1,96	1,99	0,01	0,01	-0,03	1,99±0,01
10	50	194,2	194,2	196,1	0,2	0,19	-1,9	196,1±0,2
	500	20,01	20,01	19,96	0,01	0,02	0,05	19,96±0,01
	5000	2,01	2,01	1,99	0,01	0,01	0,02	1,99±0,01

Wnioski:

Wykonane ćwiczenie uzmysłowiło nam, że tak proste z pozoru pomiary wymagają głębszej analizy. Ważny okazał się dobór przyrządu pomiarowego oraz uwzględnienie parametrów obwodu badanego. Nie bez znaczenia jest także błąd metody. Dowiedzieliśmy się, że w przypadku użycia dzielnika napięcia wysokoomoego lepiej jest zastosować woltomierz o wysokiej rezystancji wewnętrznej, natomiast w przypadku dzielnika niskoomowego wskazane jest użycie źródła o jak najniższej rezystancji wewnetrznej. W przypadku pośredniego pomiaru prądu użycie rezystora wzorcowego i woltomierza cyfrowego ( duża rezystancja wewnętrzna ) pozwoliło na uzyskanie dokładnych wyników.

U_we R_we

V

E

R_w

U_wy

V

---