Изучение компенсационного метода измерений

Це ль работы: Ознакомление с методом сации в практике измерений физических величин, получение навыков польз ования приборами мостового типа. Оборудование: мост У итстона, смонтированный на панели; источник постоянного тока, магазин с опротивлений Р33 или резистор известного номи нала, набор резисторов, мультиметр, потенциометр постоянного тока ( ПП-63 или аналогичный), термопара. 1. Теоретическая часть Измерение электричес кого сопротивления проводника (резистора) можно произвести с помощью за кона Ома (рис 1.): . Однако введение в электрическую цепь ампермет ра и вольтметра неизбежно приводит к определенным погрешностям. Введен ие в цепь амперметра неизбежно уменьшают силу тока в цепи, а, значит и пока зания вольтметра. Подключение в цепь вольтметра увеличивают силу тока и показания амперметра. Конечно, хорошие измерительные приборы изготовл яются так, чтобы сопротивление амперметра было как можно более малым, а с опротивление вольтметра как можно более большим. Тем не менее, метод амп ерметра – вольтметра невозможно принципиально избавить от указанных недостатков. Электродвижущая сила e равна разности потенциалов на полюсах источни ка тока при отсутствии разрядного тока. Напряжение U , измеряемое вольтметром при его подключении к источнику тока связано с протеканием тока в получившейся цепи. При этом показания вольтметра неизбежно оказываются меньше истин ного значения э.д.с. на величину падения напряжение на самом источнике то ка: U= e - I Ч r (ри с. 2). Боле точные результаты измерений различных эле ктрических величин можно получить только компе нсационными методами, суть которых заключаются в том, что измеряемая величина сравнивается с аналогичной величиной, изм еренной с высокой точностью. Момент наступления «равновесия» фиксируе тся с помощью нуль-индикаторов той или иной конструкции. Роль нуль-индик атора заключается не в том, чтобы измерять ток, а в том, чтобы устанавливат ь его отсутствие. При этом через нуль-индикатор протекает очень маленьки й ток, что позволяет практически исключить влияние измерительного приб ора на процесс измерения. Стрелочные нуль-индикаторы имеют зеркальную ш калу, содержащую всего несколько делений и очень тонкую стрелку. При изм ерении необходимо смотреть на прибор «прямо сверху», при этом сама стрел ка и ее изображение в зеркале должны совпадать. К приборам компенсационного типа относится мос т постоянного тока Уитстона, предназначенный для измерения сопротивле ния проводников, и потенциометр, предназначенный для измерения э.д.с. ист очников тока. Мост постоянного тока Уитстона для измерения сопротивления На рис. 3 изображена схема моста Уитстона. Он состоит из че тырех последовательно соединенных сопротивлений, образующих четыреху гольник АВБДА . В диаг ональ ДВ включен нуль -индикатор G (гальвано метр или микроамперметр с центральной стрелкой). Измеряемое сопротивле ние r x образует ветвь АВ , а в ветвь БД включен эталонный резистор, сопротивление которого r 0 измерено с большой степенью точности. Сопротивления r 1 и r 2 можно подобрать так ими, что разность потенциалов между точками В и Д будет равна нулю. При этом ток через гальванометр не идет, наступает равновесие моста . Применим второе правило Кирхгофа для контуров АВ Д и ВБД (1) Решение системы (1) дает (2) Обычно ветвь АДБ представляет собой реохорд (реохордный мост Уитстона). В данном приборе это прямая проволока постоя нного сечения с подвижным контактом (рис. 4). Балансировка моста достигает ся перемещением контакта вдоль реохорда. При этом величины сопротивлен ий r 1 и r 2 пропорциональны дли нам плеч реохорда l 1 и l 2 и формула (2) преобразуется в (3) Формально погрешность измерения неизвестного сопротивления определя ется погрешностью измерения плеч реохорда и погрешностью эталонного с опротивления: (4) Обычно эта погрешность невелика. Но следует учитывать, что она увеличивается при большом нерав енстве плеч реохорда. Например, при l 1 /l 2 = 4 или 0,25 она в 1,5 раза больше, чем при l 1 /l 2 » 1 . Это означает, что желательно п роводить измерения так, чтобы эталонное и измеряемое сопротивления был и сравнимы по величине r x » r 0 . Большое влияние на погрешность измерений также оказывает точность проведения нулевого от счета, т.е. фактически чувствительность нуль-индикатора. Что избежать др угих погрешностей применяют специальные приемы, один из которых будет о писан в задании к работе. Потенциометр для изме рения э.д.с. Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 5. Источник питания с э.д.с. e 0 , заведомо превосходя щей э.д.с. исследуемого источника тока, поддерживает постоянную силу ток а в цепи реохорда АБ . П еремещая движок реохорда Д , можно получить на участке АД падение напряжение, пропорциональное сопротив лению r этого участка, т. е. фактически длине этого участка реохорда (5) Если встречно к этому участку подклю чить через гальванометр источник тока, у которого э.д.с. равно этому напря жению ( e = U ), то произойдет компенсация на пряжений и ток через гальванометр не будет проходить. В качестве образцо вого источника тока в данном потенциометре используется нормальный элемент Вестона , э.д. с. которого ( 1,0183 В ) практ ически не меняется с течением времени. При подключении его и балансировк е потенциометра выполняется: (6) Затем вместо нормального элемента можно подключить источник с неизвес тны э.д.с и снова уравновесить прибор: (7) Из формул (6) и (7) получается рабочая формула , (8) где измерениям подлежа т длины плеч l 1 и l 2 . 2. Выполнение эксперимента Задание 1. Измерение сопротивлений Мост Уитстона собран на панели, при этом монтажная схема п олностью соответствует принципиальной, что обычно не делается в заводс ких приборах. В качестве образцового сопротивления используется высок окачественный резистор с известным сопротивлением r 0 или магазин сопротивлений Р33 , на котором с помощью ручек-декад можно набирать сопротивления от 0,1 до 99999,9 Ом . Напряжение, подаваемое на прибор можно регули ровать в пределах 0 – 4 В . В работе используются набор резисторов, распаянных на «линейке», сопроти вление которых неизвестно. 1. Подключите образцовый резистор или магазин соп ротивлений к «правому» плечу прибора. Распаянные на линейке резисторы № 1-№6 имеют номинал 500 – 3000 Ом . Поэтому на магазине сопротивлений можно установить r 0 = 1000 Ом и оставлять это значение при всех измерениях. 2. Подключите к «левому» плечу прибора резистор №1. 3. Подключите источник тока (полярность не имеет з начения). Установите ручной регулятора напряжения среднее напряжение. 4. Перемещая движок реохорда, уравновесьте мост. 5. Запишите в таблицу 1 отчета значения длин плеч ре охорда l 1 и l 2 . 6. По формуле (3) вычислите значение неизвестного со противления. Результаты можно округлять до целых значений. 7. Измерьте сопротивление резисторов №2 - №6. 8. Одна из трудностей при изготовлении моста Уитстона сост оит в том, что трудно достичь полной электрической симметрии «левой» и « правой» сторон моста. Это приводит к появлению систематической погрешн ости, которую трудно учесть. Один из способов обойти эту трудность состо ит в том, что надо повторить измерения сопротивлений всех резисторов, по меняв местами магазин сопротивлений и линейку с резисторами. Затем, в ка честве окончательного значения можно взять среднее арифметическое из двух измерений. 9. Измерьте сопротивления резисторов №1 - №6 с помощью мультиметра (омметра) – таблица 2. 10. Рассчитайте в процентах среднее расхождение м ежду результатами, полученными с помощью моста и с помощью мультиметра. Задание 2 . Измерение электродвижущей силы источника тока Принцип компенсационного метода измерения э.д.с . воплощен в промышленном потенциометре постоянного тока ПП-63 (класса точ ности 0,05). Кроме измерения э.д.с. ПП-63 может служить в качестве источника регу лируемого напряжения (ИРН). Внешний вид потенциометра показан на рис. 6 Перед началом работы органы управления и регул ировки потенциометра должны находится в следующих положениях: · Переключатель питания прибора «ПИТАНИЕ» - в отключенном положении. Переключатель нормально го элемента в положение «В» - внутренний нормальный элемент. (При использ овании наружного нормального элемента он подключается к клеммам «НЭ» и переключатель переводится в положение «Н»). Переключатель гальванометра в положение «В» - вн утренний гальванометр. (При использовании наружного гальванометра он п одключается к клеммам «Г» и переключатель переводится в положение «Н»). Переключатель питания в положение «В» - внутренн ее питание (наружный источник питания подключается к клеммам «БП» и пере ключатель переводится в положение «Н»). Переключатель полярности потенциометра «+», «-» - в положение «+». Кнопки «ГРУБО» и «ТОЧНО» - в отжатых (расфиксиров анных» положениях). В д анной работе в качестве источника тока использоваться хромель-алюмели вая Хромель , алюмель – сплавы на основе хрома и алюминия , спай которых дает большую термо-э.д.с. термопара. Если спай термопары нагреть, то она станет источником т ока. э.д.с. которой и надо измерить. 1. Подключите термопару к клеммам «Х» потенциометра. 2. Установите переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ПОТ ЕНЦИОМЕТР». 3. Установите переключате ль «ПИТАНИЕ» в положение «ВКЛ». 4. Установите переключатель пределов измерений – штепсель в положение « ґ 1 ». Положение этого штепселя опред еляется пределами измерения э.д.с.: « ґ 0 ,5» - при измерении э.д.с. до 25 мВ , « ґ 1 » - при измерении э.д.с. до 50 мВ , « ґ 2 » - при и змерении э.д.с. до 100 мВ . Проведите установку (контроль) рабочего тока пот енциометра. Для этого: · Установите переключатель «К» - « И» в положение «К». При этом подключается нормальный элемент. Установите стрелку гальв анометра на «0» вращение рукояток «ГРУБО» (верхняя рукоятка) и «ТОЧНО» (ни жняя рукоятка) регулятора «РАБОЧИЙ ТОК», вначале при нажатой (зафиксиров анной) кнопке «ГРУБО», а затем – «ТОЧНО». Достижение компенсации в этом случае означает в ыполнение условия (6). 5. Проведите измерение неизвестной э.д.с. Для этого · Заж мите один спай термопары двумя пальцами. Установите переключател ь «К»-«И» в положение «И». Установите стрелку гальванометра на «0» вращени ем рукояток секционного переключателя «mV» и реохорда «mV», вначале при наж атой кнопке «ГРУБО», а затем «ТОЧНО». Достижение компенсации в этом случае означает в ыполнение условия (7). Значение измеряемого э.д.с. в милливольтах будет равно сумме показаний секционного переключателя и реохорда, умноженно й на значение множителя, установленной на переключателе пределов измер ений при помощи штепселя. При подключении источника тока (термопары) к поте нциометру необходимо соблюдать полярность. Если полярность источника тока неизвестна, и он подключен к клемма «Х» неправильно, то компенсации при измерении добиться невозможно (источники включены « не встречено »). Для изменения поля рности следует воспользоваться тумблером «+»,«-». 6. Опустите спай термопары горячую воду или нагрейте его зажигалко й. Измерьте э.д,с этого источника тока.