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 RW=
RW=20Ω dla zakresu 3mA.

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 Źr. [V]	K - Stała dziel.	RWE Dziel.	RW Źr. [Ω]	UWY LM-3	UWY V541 [V]	UWY LM-3 Oblicz.	UWY V541 Oblicz.	δUWY LM-3 [%]	δUWY V541 [%]	δK LM-3 [%]	δK V541 [%]
20	0,5	1 [M.Ω]	0,5	6,0 [mV]	9,757	5,9[mV]	9,754[V]	1,7	0,03	-99,9	-2,4
20	0,5	1 [M.Ω]	500	6,0 [mV]	9,751	5,9[mV]	9,749[V]	1,7	0,02	-99,9	-2,5
20	0,5	1 [kΩ]	0,5	9,92 [V]	9,983	9,83[V]	9,994[V]	0,9	-0,11	-7,1	-0,2
20	0,5	1 [kΩ]	500	6,41 [V]	6,627	6,38[V]	6,666[V]	0,5	-0,59	-35,9	-33,8

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.

Podsumowując, gdy dysponujemy dzielnikiem wysokoomowym to rezystancja wewnętrzna źródła nie ma znaczenia. Ważny jest wtedy dobór woltomierza. Natomiast dla dzielnika niskoomowego( R_WE=1kΩ) bardziej istotne niż dobór przyrządu jest dobranie rezystancj wewnętrznej źródła.

Ad 2. Pomiar prądu metodą bezpośrednią.

Schemat pomiarowy.

U	R0	IA VC10T	ΔgI	δgI	δm	ΔmI	I±ΔgI	IA LM-3	ΔgI	δgI	δm	ΔmI	I±ΔgI
[V]	Ω	mA	mA	%	%	mA	mA	mA	mA	%	%	mA	mA
1	50	19,6	0,3	1,3	-1,9	-0,4	20,0 ±0,30	19,04	0,15	0,8	-1,6	-0,32	19,36 ±0,15
	500	1,92	0,03	1,3	-1,9	-0,04	1,96 ±0,03	1,88	0,02	0,8	-3,8	-0,07	1,95 ±0,02
10	50	201	2	0,8	-0,2	-1	202 ±2	197,2	1,5	0,8	-0,16	-0,3	197,5 ±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	2,01	0,03	0,8	-0,4	-0,01	2,02 ±0,03

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.Dla zmontowanego amperomierza pominęliśmy błąd rezystora wzorcowego.

4

U_we R_we

V

E

R_w

U_wy

V

---