1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady pomiaru oraz źródeł błędów w pomiarze napięcia metodą bezpośredniego porównania z wzorcem oraz sposobu technicznej realizacji tej zasady i zwrócenie uwagi, że zautomatyzowanie pomiaru tą metodą doprowadziło do powstania kompensacyjnych przetworników a/c.
2. Dane techniczne przyrządów
Komparator napięć (analogowy):
typ: KN-1;
nr: MK-3A;
klasa: 1,5;
regulacja Ci [A/dz]: 5 / 50 / 500 (odpow. rezyst.[]: 250 / 500 / 2000);
max = 20;
Źródło napięcia wzorcowego (binarne):
typ: ZB-1;
przyciski: 0..9;
Ew = 0,01 2n [V];
Ew = 0,2% Ew 10 [mV];
Rw = 100 [];
Źródło napięcia wzorcowego (dekadowe):
typ: ZD-1;
Ew = R10mA;
niedokładność prądu: I = 10 [mA] 0,05%;
il. dekad: 3 (100 - klasa 0,05; 10 - klasa 0,05; 1 - klasa 0,1);
Źródło napięcia wzorcowego (dekadowe, kalibrowane):
typ: ZD-2;
ERw = 101,87[] I I = ERw / 101,87 = 1,0187 / 101.87 = 10 [mA];
Ew = RI = R10mA;
stabilność prądowa: 0,005%;
ilość dekad: 4 (100 - klasa 0,05; 10 - klasa 0,05; 1 - klasa 0,1; 0,1 - klasa 0,5);
Źródło napięcia:
typ: Ex-1;
Ewy = Ex [V] 10%;
Ogniwo normalne (Westona):
En = 1,0187 0,0002 [V];
Rw 600 [];
3. Pomiar napięcia Ux stosując źródło napięcia wzorcowego o regulacji dekadowej ZD-1 i komparator napięcia KN - 1.
Lp. |
Ex [V] |
100 |
10 |
1 |
Rc [] |
Ci [μA/dz] |
α [dz] |
Ex=Ew [V] |
δEr [%] |
δEi [%] |
δE [%] |
ΔE [V] |
E E [V] |
1. |
1,0 |
1 |
0 |
3 |
103 |
5 |
+0,5 |
1,03 |
0,06 |
0,05 |
0,11 |
0,002 |
1,03±0,002 |
2. |
5,0 |
5 |
0 |
1 |
501 |
|
-1,0 |
5,01 |
0,05 |
|
0,1 |
0,005 |
5,01±0,005 |
opis:
częściowo jak wyżej;
100, 10, 1 - ustawienie na poszczególnych pokrętłach;
Rc - rezystancja całkowita;
Er - błąd spowodowany błędem rezystancji;
Ei - błąd spowodowany niedokładnością prądu;
4. Pomiar napięcia Ux stosując źródło napięcia wzorcowego o regulacji binarnej ZB-1 i komparator napięcia KN - 1.
Lp. |
Ex [V] |
Z(2) |
Z(10) |
Ew=Ex [V] |
Ci [μA/dz] |
α [dz] |
Ew [V] |
Ebin [mV] |
E [V] |
E [%] |
E E [V] |
1. |
1,0 |
0001100111 |
103 |
1,03 |
5 |
- 2,0 |
0,003 |
10 |
0,013 |
1,26 |
1,030,013 |
2. |
5,0 |
0111110110 |
502 |
5,02 |
|
+ 0,5 |
0,011 |
|
0,021 |
0,42 |
5,020,021 |
opis:
Ex - orientacyjna wartość badanego napięcia;
Z (2) - dwójkowy zapis stanu przycisków wzorca;
Z (10) - dziesiętny zapis stanu przycisków wzorca;
Ew - napięcie na źródle wzorcowym;
Ex - napięcie badane (=Ew);
Ew - błąd niedokładności napięcia wzorcowego (0,2%);
Ebin - błąd zapisu binarnego (0,0120 [V] = 10 [mV]);
Ecz - błąd niedokładności odczytu (0,5 działka na skali komparatora przy najwyższej czułości);
5. Pomiar napięcia Ux stosując źródło napięcia wzorcowego o regulacji binarnej ZB-1 i komparator napięcia dwustanowy SFC2211.
Lp. |
wskaz. |
Ex [V] |
Z (2) |
Z (10) |
Ex [V] |
Ew [V] |
Ebin [mV] |
E [V] |
E [%] |
E E [V] |
1. |
Ux≤Uw |
1 |
0001101000 |
104 |
1,04 |
0,0021 |
|
0,013 |
1.25 |
1,040,013 |
2. |
Ux≥Uw |
|
0001100111 |
103 |
1,03 |
0,0021 |
10 |
|
1.26 |
1,030,013 |
3. |
Ux≤Uw |
5 |
0111111000 |
504 |
5,04 |
0,0101 |
|
0,021 |
0.42 |
5,040,021 |
4. |
Ux≥Uw |
|
0111110110 |
502 |
5,02 |
0,0101 |
|
|
0.42 |
5,020,021 |
opis: jak wyżej;
6. Pomiar napięcia Ux stosując źródło napięcia wzorcowego ZD-2 z podwójną kompensacją.
Lp. |
Ex |
100 |
10 |
1 |
0,1 |
RW [] |
EX=EW [V] |
EEw [%] |
ERn [%] |
ERw [%] |
E [%] |
ΔE [V] |
E E [V] |
1. |
1,0 |
1 |
0 |
3 |
2 |
103,2 |
1,032 |
0.02 |
0.001 |
0.053 |
0.074 |
0.0008 |
1,032±0,0008 |
2. |
5,0 |
5 |
0 |
1 |
3 |
501,3 |
5,013 |
0.02 |
0.001 |
0.011 |
0.032 |
0.0016 |
5,013±0,0016 |
gdzie EEw - wartość błędu względnego napięcia wzorcowego;
ERn - wartość błędu względnego rezystancji ogniwa;
ERw - wartość błędu względnego rezystancji nastawionej;
7. Pomiar napięcia Ux z zastosowaniem przetwornika A/C (PAC - 1).
kompensacja |
Ex[V] |
EZ [V] |
n [kroki] |
t [ms] |
binarna |
1,0 |
1,03 |
9 |
0,25 |
|
5,0 |
1,04 |
6 |
0,18 |
dekadowa |
1,0 |
4,99 |
14 |
0,5 |
|
5,0 |
5,00 |
6 |
0,2 |
n - ilość kroków do ustalenia się napięcia do poziomu stałego odczytana z oscyloskopu;
t - czas trwania ustalenia się napięcia do poziomu stałego odczytany z oscyloskopu;
EZ - napięcie wskazane przez woltomierz w przystawce;
8. Przykładowe obliczenia.
do punktu 3:
Ex = Ew = 0,01 Rc = 0,01 103 = 1,03 [V];
do punktu 4:
(0001100111)(2)=029+028+027+126+125+024+023+122+121+120=64+32+16+8+4=(103)(10);
Ew = 0,01 103 = 1,03 [V];
Ew = 0,2% Ew = 0,2% 1,03 = 0,00206 [V] 0,003 [V];
Ebin = 0,01 20 = 0,01 1 = 0,01 [V] = 10 [mV];
E = Ew + Ebin = 0,003 + 0,01= 0,013 [V];
E = E / E 100% = 0,013 / 1,03 100% = 1,26%;
do punktu 5:
jak wyżej;
do punktu 6:
9. Wnioski.
W wyniku przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że pomiary napięcia metodą kompensacyjną są proste i (przy zastosowaniu odpowiednich przyrządów) bardzo dokładne.
Podczas pierwszego pomiaru (zestaw: źródło napięcia wzorcowego o regulacji dekadowej i komparator analogowy) zauważyliśmy, że na wartość napięcia wpływ miał przede wszystkim błąd spowodowany przez pomiar wartości prądu a nie wartości rezystancji, której błąd był mniejszy o rząd.
Przy pomiarze drugim (zestaw: źródło napięcia wzorcowego o regulacji binarnej i komparator analogowy) stwierdzono, że największy błąd wynikał z binarnego zapisu napięcia wzorcowego. Błąd ten wynosił zawsze 10 mV (bez względu na wielkość mierzonego napięcia), co sprawia, że korzystanie z takiego źródła jako wzorca nie jest wskazane przy małych napięciach (poniżej 2V), natomiast przy nieco wyższych napięciach (ale nie wyższych niż 10,23[V] - ograniczenie skali) wpływ tego błędu na wynik jest coraz mniejszy. W pomiarze tym wystąpiły jeszcze dwa błędy: błąd niedokładności napięcia wzorcowego (proporcjonalny do mierzonego napięcia=0,2%Ew) i błąd spowodowany niedokładnością odczytu "stanu zero" na komparatorze analogowym (wskazówka nie będzie nigdy idealnie pokrywać się z zerem, zawsze będzie nieco wychylona w prawo lub w lewo); podczas pomiarów przyjęto, że ten błąd nie będzie większy niż pół działki na komparatorze przy jego największej czułości (5A/dz). Ten ostatni błąd był (podobnie jak pierwszy) stały i niezależny od wartości Ew w związku z czym jego wpływ na wynik malał wraz ze wzrostem wartości mierzonego napięcia.
Podczas trzeciego pomiaru (zestaw: źródło napięcia wzorcowego o regulacji binarnej i komparator dwustanowy) wystąpiły te same błędy co w pomiarze pierwszym z wyjątkiem błędu niedokładności odzczytu ze skali, lecz wartość napięcia mierzonego mieściła się w przedziale wartości napięcia. Zautomatyzowanie odczytu stanu równowagi pozwoliło wykluczyć czynnik ludzki.
W pomiarze czwartym wpływ na dokładność wyniku miały: dokładność ustawionych na dekadach oporów (wynikająca z klasy) i niestabilność prądu (szczególnie mała w przypadku źródła ZD-2). W przypadku tego ostatniego źródła należałoby też uwzględnić błąd spowodowany niedokładnością jego kalibracji, ale ponieważ kalibrację wykonano za pomocą ogniwa Westona (którego dokładność jest bardzo duża), błąd ten był pomijalnie mały.
` Podczas pomiaru piątego przeprowadzonego na ćwiczeniach obserwowaliśmy na ekranie oscyloskopu jaki wpływ wywiera rodzaj kompensacji na napięcie mierzone. Łatwo mogliśmy zauważyć jak długo napięcie się ustalało na ostatecznej wartości ok.0.2 [ms] i ile kroków, próbek musiał przetwornik A/C wykonać aby ostatecznie ustalić wartość napięcia.
Miernictwo Elektroniczne - laboratorium
************************************************************
************************************************************
- 3 -
************************************************************
- 1 -