Как скомпенсировать сопротивление соединительных проводников мультиметра

12

МСиС-2019(ч1)

1) Согласно схеме, представленной на рис. 1.3, необходимо выполнить электрические соединения модулей для измерения постоянного напряжения. Монтаж схемы производить при отключенном питании. В качестве PV 1 использовать мультиметр Mastech MY64 (модуль «Измерительный блок») в режиме измерения постоянного напряжения с пределом до 20 В, а PV 2 – мультиметр Sanwa PC500 в режиме измерения постоянного напряжения.

Рис. 1.3. Схема электрическая соединений лабораторных модулей для измерения постоянного напряжения

Включить автоматический выключатель и выключатель дифференциального тока «Сеть» (модуль «Модуль питания»). Включить мультиметры и, увеличивая выходное напряжение канала «0…+15В» от 0 В до +15 В (ручкой регулировки «0…+15В» модуля «Модуль питания»), заносить показания вольтметров PV 1 и PV 2 в табл. 1.4.

Рассчитать абсолютную , относительную δ и приведенную γ погрешности измерения напряжения, при этом считать, что мультиметр Sanwa PC500 является образцовым измерительным прибором.

Относительная и приведенная погрешности измерения постоянного и переменного напряжения рассчитываются по выражениям:

где х – показания мультиметра Mastech MY64;

х 0 – показания образцового измерительного прибора (мультиметра Sanwa

х N – номинальное значение (предел измерения) мультиметра Mastech

Используя данные, приведенные в табл. 1.1, необходимо определить допустимые значения относительной погрешности измерения напряжения мультиметром Mastech MY64 и сравнить их с расчетными значениями (см. табл. 1.2).

Т а б л и ц а 1.4 Результаты измерений постоянного напряжения

2) Согласно схеме, представленной на рис. 1.4, выполнить электрические соединения модулей для измерения переменного тока.

Рис. 1.4. Схема электрическая соединений лабораторных модулей для измерения переменного тока

В качестве PА 1 использовать мультиметр Mastech MY64 (модуль «Измерительный блок») в режиме измерения переменного тока с пределом изме-

рения до 200 мА, а PА 2 – мультиметр Sanwa PC500 в режиме измерения переменного тока.

Включить автоматический выключатель и выключатель дифференциального тока «Сеть» модуля «Модуль питания». Включить мультиметры. Увеличивая силу тока в цепи от 0 мА до 200 мА (ручкой регулировки выходного напряжения автотрансформатора TV 2 модуля «Автотрансформатор»), заносить показания амперметров PA 1 и PA 2 в табл. 1.5.

По выражениям (1.1) – (1.3) рассчитать абсолютную , относительную δ и приведенную γ погрешности измерения переменного тока, при этом считать, что мультиметр Sanwa PC500 является образцовым измерительным прибором.

Сравнить полученное опытное значение максимальной относительной погрешности измерения тока и допустимого значения (см. табл. 1.1), сделать соответствующий вывод.

Т а б л и ц а 1.5

Результаты измерений переменного тока

3) Согласно схеме, представленной на рис. 1.5, выполнить электрические соединения модулей для измерения сопротивления.

В качестве PR 1 использовать мультиметр Mastech MY64 (модуль «Измерительный блок») в режиме измерения сопротивления с пределом измерения до 200 Ом, а PR 2 – мультиметр Sanwa PC500 в режиме измерения сопротивления.

Включить автоматический выключатель и выключатель дифференциального тока «Сеть» модуля «Модуль питания». Включить мультиметры. Произвести компенсацию сопротивления щупов мультиметра PR 2 (Sanwa PC500), для чего установить мультиметр в режим измерения сопротивления и

нажать кнопку RANGE , на дисплее появится Shrt . Через 3 с после звукового сигнала сопротивление щупов, внутренних цепей мультиметра PR 2 и магазина сопротивлений R 1 будут скомпенсированы.

Рис. 1.5. Схема электрическая соединений лабораторных модулей для измерения сопротивления

Устанавливая произвольное значение сопротивления магазина R 1 в диапазоне от 0,1 Ом до 200 Ом, заносить показания омметров PR 1, PR 2 и значение сопротивления R 1 в табл. 1.6.

Т а б л и ц а 1.6

Результаты измерений сопротивления

Используя данные табл. 1.6, построить

графики зависимости RPR1(R1). Значения

сопротивления RPR1 будут включать в себя

сопротивление магазина R1 и соединитель-

ных проводников R с.п . В общем случае гра-

фик зависимости RPR(R1) имеет вид, пока-

занный на рис. 1.6.

Из графика на рис. 1.6 определить соп-

ротивления щупов R с.п , полученное значение

занести в табл. 1.6.

Рис. 1.6. График зависимости

Так как при измерении сопротивления

мультиметр Mastech MY64 не учитывает

сопротивление щупов, то необходимо рассчитать действительные значения сопротивления для каждого пункта табл. 1.6 по формуле:

где с.п – сопротивление соединительных проводников при измерении муль-

тиметром Mastech MY64.

По выражениям (1.1) – (1.3) рассчитать абсолютную , относительную δ и приведенную γ погрешности измерения сопротивления мультиметрами Mastech MY64 и Sanwa PC500. Считать магазин сопротивлений R 1 образцовым.

Сравнить полученные опытные значения максимальной абсолютной погрешности измерения сопротивления PR 1 , PR2 с допустимым значением (см. табл. 1.1 и 1.2), сделать соответствующий вывод.

Допустимая абсолютная погрешность мультиметра Sanwa PC500 определяется как ± (процент от показания прибора + n·D , где D – число значений единицы младшего разряда). Например, при измерении в диапазоне до 500 мВ показания прибора 134,8 мВ, абсолютная погрешность будет составлять

±134,8·0,12 % + 2·0,1 мВ = 0,36 мВ.

4) Согласно схеме, представленной на рис. 1.7, выполнить электрические соединения модулей для измерения частоты электрического сигнала.

В качестве PF 1 использовать мультиметр Sanwa PC500 (модуль «Измерительный блок») в режиме измерения частоты, а PV1 – мультиметр Mastech MY64 в режиме измерения переменного напряжения 20 В.

Рис. 1.7. Схема электрическая соединений лабораторных модулей для измерения частоты

Включить автоматический выключатель и выключатель дифференциального тока «Сеть» модуля «Модуль питания». Включить мультиметры и модуль «Функциональный генератор. Пиковые детекторы». Установить синусоидальную форму выходного сигнала функционального генератора G 1 соответствующей кнопкой функционального генератора. Установить среднеквадратичное значение напряжения выходного сигнала UG 1 = 5 В (измерять вольтметром PV 1) кнопками изменения амплитуды функционального генератора.

Изменяя частоту выходного сигнала функционального генератора G 1 от 10 Гц до 20 кГц, заносить значение частоты f G , отображаемое на индикаторе функционального генератора, и показания частотомера PF 1 в табл. 1.7.

По выражениям (1.1) – (1.3) рассчитать абсолютную , относительную δ и приведенную γ погрешности измерения частоты. Считать показания функционального генератора f G образцовыми.

Сравнить полученные опытные значения максимальной абсолютной погрешности измерения частоты и допустимого значения (см. табл. 1.2), сделать соответствующий вывод.

Как скомпенсировать сопротивление соединительных проводников мультиметра

Попробую объяснить по-простому.
Рассмотрим трехпроводную схему:

Ток возбуждения Iв проходит по цепи r1-Rt-r3. Считаем, что провода r1 и r3 абсолютно одинаковы (r2 значения не имеет). Наличие провода r2 позволяет непосредственно определить падение напряжения Uп на проводе r1 с помощью дополнительного высокоомного вольтметра, по сравнению с сопротивлением которого сопротивление r2 заведомо пренебрежимо мало. Осталось только каким-то образом (хоть автоматически, хоть на калькуляторе) из измеряемого напряжения Uизм вычесть удвоенное значение Uп.

Как скомпенсировать сопротивление соединительных проводников мультиметра

1. Выбрать образцовый прибор. Исходя из данных табл. 1.17 и технических характеристик мультиметров (табл. 1.1 − 1.12), выбрать мультиметр, подходящий для поверки вольтметра магнитоэлектрической системы. Параметры пове­ряемого и образцового прибора занести в табл. 1.18.

2. Согласно схеме (рис. 1.11) выполнить электрические соединения модулей для поверки вольтметра магнитоэлектрической системы. Монтаж схемы производить при отключенном питании.

• PV1 − вольтметр модуля «Приборы магнитоэлектрической системы»;

• PV 2 − выбранный образцовый прибор модуля «Измерительный блок» в режиме измерения постоянного напряжения;

• РА1 − мультиметр модуля «Измерительный блок» в режиме измерения постоянного тока.

В данной лабораторной работе поверяемым прибором является вольтметр магнитоэлектрической системы ( PV1). За образцовый прибор принимается цифровой мультиметр ( PV2), так как его класс точности выше.

Рис. 1.11. Схема электрическая соединений комплекта для поверки вольтметра

Включить автоматический выключатель и выключатель дифференциального тока «Сеть» модуля «Модуль питания». Включить мультиметры.

3. Увеличивая напряжение регулируемого источника питания в интервале от 0 В до 30 В, провести не менее 10 замеров. Показания вольтметров занести и табл. 1.20.

4. Повторить измерения по пункту 3 при уменьшении напряжения от 30 В до 0 В в тех же точках.

− показания вольтметра PV1 при увеличении тока в цепи;

− показания вольтметра PV1 при уменьшении тока в цепи;

− показания вольтметра PV2 при увеличении тока в цепи;

− показания вольтметра PV2 при уменьшении тока в цепи.

5. Установить напряжение 30 В (контролируя величину вольтметром Р V2). Измерить силу тока в цепи мультиметром РА1.

6. Рассчитать значение сопротивления вольтметра по закону Ома:

Зафиксировать полученное значение сопротивления.

7. Зафиксировать класс точности, цену деления и диапазон значений поверяемого вольтметра PV1.

8. После завершения экспериментов и проверки результатов преподавателем необходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. После завершения экспериментов и проверки результатов преподавателем необходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту

2. Используя табл. 1.1 − 1.11 определить доверительный интервал каждого из проведенных в лабораторной работе измерений. Сравнить точности рас­смотренных мультиметров.

3. По данным табл. 1.12 построить график зависимости и . Величина, отображаемая на индикаторе мультиметра MASTECH MY-64, будет включать и себя сопротивление магазина и соединительных проводников . В общем случае график зависимости имеет вид (рис. 1.12):

Рис. 1.12. График зависимости

Сопротивление, измеряемое мультиметром в режиме омметра, определяется по формуле:

Относительная погрешность определяется по формуле:

где − коэффициент наклона графика.

Приведенная погрешность мультиметра в режиме омметра (без учета сопротивления соединительных проводников) определяется по формуле:

где Д − диапазон измерения мультиметра (200 Ом).

4. По вышеприведенным выражениям и графику зависимости определить сопротивление соединительных проводников, относительную погрешность измерения и приведенную погрешность цифрового мультиметра в режиме омметра, сравнить с техническими характеристиками (табл. 1.5).

5. Обратить внимание, что если график зависимости проходит через точку (0; 0), то сопротивление соединительных проводников скомпенсировано.

6. По данным табл. 1.19 рассчитать среднее значение тока по формулам:

Полученные значения занести в табл. 1.21

7. Рассчитать относительную и приведенную γ погрешности по формулам (4) и (5) соответственно для каждого пункта табл. 1.21. Выбрать максимальное значение приведенной погрешности , что соответствует классу точности прибора, занести его значение в табл. 1.21 и сравнить с указанным на шкале амперметра РА1. Сделать вывод о необходимости калибровки прибора.

8. Независимо от результатов предыдущего пункта, провести калибровку амперметра РА1:

— рассчитать поправочный коэффициент для каждого пункта табл. 1.21 по формуле:

— рассчитать среднее значение поправочного коэффициента по формуле:

где N − число измерений;

— рассчитать калиброванные значения измеренной силы тока для каждого пункта табл. 1.21 по формуле:

— определить относительную погрешность калиброванных значений силы тока по формуле (4).

9. По данным табл. 1.20 рассчитать среднее значение напряжения для каждого пункта измерения по формулам:

Полученные значения занести в табл. 1.22.

10. Рассчитать относительную и приведенную погрешности по формулам (4) и (5) соответственно для каждого пункта табл. 1.22. Выбрать максимальное значение приведенной погрешности , что соответствует классу точности прибора, занести его значение в табл. 1.22 и сравнить с указанным на шкале вольтметра PV1. Сделать вывод о необходимости калибровки прибора.

11. Независимо от результатов предыдущего пункта, провести калибровку вольтметра PV1:

— рассчитать поправочный коэффициент для каждого пункта табл. 1.22 по формуле:

— рассчитать среднее значение поправочного коэффициента по формуле (8);

— рассчитать калиброванные значения измеренного напряжения для каждого пункта табл. 2.7 по формуле:

— определить относительную погрешность калиброванных значений напряжения по формуле (4).

12. Сделать вывод о способах повышения точности измерений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите области применения цифровых мультиметров.

2. Приведите порядок действий при измерении тока и напряжения цифровым мультиметром.

3. Приведите порядок действий при измерении частоты электрического сигнала цифровым мультиметром.

4. Как скомпенсировать сопротивление соединительных проводников (щупов) мультиметра?

Восемь советов по оптимизации измерений с помощью цифрового мультиметра

Простейший способ устранения погрешностей, связанных с контактами и соединительными проводами, заключается в выполнении нулевого измерения. При измерении постоянного напряжения или сопротивления выберите подходящий измерительный диапазон, замкните пробники между собой и выполните измерение – результат должен быть близок к нулю, – после чего нажмите на кнопку «Ноль». Результат этого измерения будет вычитаться из последующих показаний. Нулевое измерение эффективно работает при измерении постоянного напряжения и сопротивлений. К сожалению, эта методика не годится для измерения переменного напряжения. Преобразователи переменного напряжения не рассчитаны на точную работу в самой нижней части диапазона. Например, параметры аналогового преобразователя в цифровом мультиметре Keysight 34401A нормируются только в диапазоне более 10 % от полной шкалы. Мультиметры Keysight 34410A и 34411A используют цифровые преобразователи и могут работать в диапазоне от 1 % полной шкалы, но и они не могут выполнять измерение при замкнутых пробниках.

Когда два разнородных металла контактируют между собой, в точке контакта образуется термопара. Термопара генерирует напряжение, которое зависит от температуры. Это напряжение мало, но если вы измеряете малые напряжения или в вашей системе присутствует много контактов, его нужно учитывать. Эффект термопары может возникать в точках соединения с тестируемым устройством, реле (мультиплексорами) и самим мультиметром. Применение соединений медь-медь поможет свести этот эффект к минимуму.

При измерении сопротивления можно использовать функцию компенсации смещения для измерения напряжения смещения и компенсации погрешности. На рис. 1 показаны две схемы, используемые для измерений с компенсацией – одна с источником тока, другая без источника тока. Вычитание результатов второго измерения из первого и деление на известное значение тока дает корректное значение сопротивления. Поскольку для каждого показания выполняется два измерения, это снижает скорость измерений, но повышает их точность. Компенсацию смещения можно использовать как в измерениях по двухпроводной схеме, так и в измерениях по четырехпроводной схеме.

Рис. 1. Компенсация смещения с помощью двух измерений. Первое измерение является стандартным измерением сопротивления, а второе измеряет смещение, создаваемое термоЭДС. Показания прибора представляют собой разность между этими двумя измерениями, поделенную на известное значение тока.

Наиболее точным методом измерения малых сопротивлений является четырехпроводная схема. Этот метод автоматически компенсирует сопротивление соединительных проводов и контактов. Четырехпроводная схема измерения показана на рис. 2. Подавая известное значение тока от источника и измеряя падение напряжения на неизвестном резисторе, можно рассчитать его сопротивление. Один комплект проводов подает ток на неизвестный резистор. На этом резисторе падает напряжение, измеряемое через другую пару проводов. Ток по проводам, измеряющим напряжение, не течет, поэтому дополнительного падения напряжения в этих проводах не возникает.

Рис. 2. Ток по проводам, измеряющим напряжение, не течет. Мультиметр делит измеренное напряжения на известный ток, вычисляя неизвестное сопротивление.

Внутренние смещения мультиметра

Для компенсации источников погрешности внутри мультиметра используется функция автоматической установки нуля. Если эта функция включена, мультиметр после каждого измерения отключает входной сигнал и регистрирует нулевые показания. Затем он вычитает нулевые показания из предыдущих показаний. Это позволяет компенсировать напряжение смещения, присутствующее на входе мультиметра и влияющее на точность измерения. В четырехпроводных измерениях функция автоматической установки нуля включена всегда, но для двухпроводных измерений ее можно отключить для повышения скорости измерений.

Если функция автоматической установки нуля отключена, мультиметр однократно регистрирует нулевое показание и вычитает его из всех последующих измерений. Новое нулевое измерение выполняется при каждом переключении вида измерения, диапазона или времени интегрирования.