Вольтметр Д5081

Федеральное Агентство  по образованию

Рособразование

Химико-технологический  техникум

        Пензенской Государственной  технологической  академии 
 
 

Курсовой  проект по дисциплине

«Технические  измерения и их

Метрологическое обеспечение» на тему:

Вольтметр Д 5081 
 
 
 

Выполнил: студент группы С-901з

Балашова  Маргарита Сергеевна

Принял: преподаватель

Кострикина  Инна Анатольевна 
 
 
 

г. Пенза 2011 

Содержание: 

Задание №1

1. Определение измеряемой величины, наименование единицы измеряемой величины в системе СИ………………………………………….... 3
2. Основные метрологические и технические характеристики средства измерения.……………………………………..................................................3

Задание №2

2.1 Анализ методов  измерения заданной величины……..……………………..4

2.2 Принцип работы  прибора  и структурной схемы для аналоговых СИ…7 

Задание №3

3.1 Схема передачи  размера единицы по ГОСТ 8.027………………………….8

3.2 Локальная поверочная схема для  прибора………………………………...13

3.3 Метод и средства измерений (эталоны) для поверки вольтметра Д5081.14  

Задание №4

4.1 Составить  проект методики поверки вольтметра Д 5081 ………………...17

Приложение 1…………………………………………………………………….28

Приложение 2…………………………………………………………………….31

Список используемой литературы………………………………………...........32 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Задание 1

1.   Определение напряжения, наименование единицы напряжения в системе СИ.

Напряже́ние между  точками A и B электрической цепи или  электрического поля — отношение  работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B к величине пробного заряда.

Альтернативное  определение — 

— интеграл от проекции поля эффективной (напряжённости поля ) (включающего сторонние поля) на расстояние между точками A и B вдоль  заданной траектории, идущей из точки A в точку B. В электростатическом поле значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов.

Единицей измерения  напряжения в системе СИ является вольт.

Напряжение показывает, какую работу совершает суммарное  поле сторонних и кулоновских  сил при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую. 

2. Основные  метрологические  и технические  характеристики средства измерения.

Класс точности вольтметра Д5081 - 0,2 (лабораторный вольтметр). Вольтметр Д5081 электродинамической  системы на растяжках предназначен для точных измерений напряжения в цепях переменного и постоянного тока, а также для проверки менее точных приборов.

 Измерительный  механизм вольтметра Д5081 надежно  экранирован от воздействия внешних  магнитных полей. 

 Двухстрочная  шкала вольтметра Д5081 общей длиной 300 мм выполнена с нониусными делениями, позволяющими повысить точность отсчета. 

Таблица 1 

       Задание 2

2.1 Анализ методов измерений напряжения.

Электроизмерительные  приборы, предназначенные для измерения  напряжения, называются вольтметрами. Вольтметры включают параллельно участку (элементу) электрической цепи, на котором  измеряют напряжение. При этом вольтметр  должен иметь очень большое сопротивление по сравнению с сопротивлением элемента цепи, на котором измеряется напряжение. Это необходимо для уменьшения погрешности измерения и для того, чтобы не было изменения режима работы цепи. В самом деле, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньший ток проходит через него и тем меньше расходуется в нем энергия, а следовательно, тем меньшее влияние оказывает включение прибора на режим работы цепи.

Для расширения пределов измерений вольтметров  в цепях постоянного тока с  напряжением до 1000-4500 В служат добавочные резисторы, включаемые последовательно с прибором (рис.2). В цепях переменного тока напряжением свыше 1000 В для расширения пределов измерений используют измерительные трансформаторы напряжения.

При включении последовательно с вольтметром добавочного резистора сопротивление последнего определяют из следующих соображений: допустим, вольтметром с сопротивлением rV, рассчитанным на номинальное напряжение Uном, необходимо измерить напряжение Uxmax, которое в n раз больше Uном. В этом случае необходимо соблюдать условие, при котором ток, проходящий через вольтметр, был бы одинаковым при обоих напряжениях, т. е.

откуда      

и фактически измеряемое напряжение

где UV - показание  вольтметра.

Шкалу вольтметров  в большинстве случаев градуируют с учетом добавочного сопротивления rд. При этом вольтметр может быть выполнен на несколько пределов измерения, для чего он снабжается несколькими  добавочными сопротивлениями и  соответствующим переключателем шкалы на лицевой стороне прибора.

Для измерения  напряжения в цепях постоянного  тока применяют магнитоэлектрические вольтметры, а в цепях переменного  тока - электромагнитные и электродинамические  вольтметры. При измерении малых  переменных напряжений используют выпрямительные и электронные милливольтметры, причем при повышенных частотах преимущественно электронные. 

Делитель  напряжения — устройство, в котором входное и выходное напряжение связаны коэффициентом передачи .В качестве делителя напряжения обычно применяют регулируемые сопротивления (потенциометры). Можно представить как два участка цепи, называемые плечами, сумма напряжений на которых равна входному напряжению. Плечо между нулевым потенциалом и средней точкой называют нижним, а другое — верхним. Различают линейные и нелинейные делители напряжения. В линейных выходное напряжение изменяется по линейному закону в зависимости от входного. Такие делители используются для задания потенциалов и рабочих напряжений в различных точках электронных схем. В нелинейных делителях выходное напряжение зависит от коэффициента a нелинейно. Нелинейные делители напряжения применяются в функциональных потенциометрах. Сопротивление может быть как активным, так и реактивным.

Трансформатор напряжения – устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в ток другого напряжения. Реализуется эта функция при помощи нескольких обмоток, что дает возможность создавать переменное магнитное поле. Сфера применения трансформатора напряжения чрезвычайно обширна. Подобные устройства используются в качестве комплектующих бытовой техники, технологического оборудования, используется трансформатор и в качестве локального устройства. 

Операционный  усилитель (ОУ) – усилитель электрических сигналов, изготовленный в виде интегральной микросхемы с непосредственными связями (УПТ) и предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми  сигналами при работе в цепях с ООС

По способу  включения операционные усилители  подразделяются на инвертирующие и  неинвертирующие.

В инвертирующем усилителе используется параллельная обратная связь, а в неинвертирующем  последовательная обратная связь по напряжению.

Усилитель называется инвертирующим, так как выходное напряжение  противофазно (инверсно) по отношению к входному.

ОУ выпускаются с различными характеристиками и параметрами.

Как правило, рассматривают  идеальный ОУ у которого Rвх=∞, Rвых=0, Коу=∞, Кос=∞, К=∞, Δiвх=0 , iвх=0.  

Рис. 3. Схемы  включения  ОУ 

Условные обозначения:

а - инвертирующий  усилитель;

б - неинвертирующий  усилитель. 

Рис. 3. Схемы  включения  ОУ 

2. Принцип работы  прибора  и структурной  схемы для аналоговых СИ

      В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента  используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный  ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Достоинства электромагнитных механизмов: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры. 

3.1 Схема передачи размера единицы по ГОСТ 8.027

1. Государственный первичный эталон

1.1 В  состав государственного первичного  эталона входят:

- мера  для воспроизведения единицы  напряжения: криогенные преобразователи  частоты в напряжение на основе  дефекта Джозефсона и аппаратура для синтеза частоты и времени, синтезатор и генератор СВЧ диапазона с волноводным выходом, блок фазовой автоподстройки частоты;

- аппаратура  для контроля условий измерений  и неизменности воиспроизводимого  и хранимого размеры единицы  напряжения;

- аппаратура для передачи размера единицы напряжения.

1.2 Номинальные  значения напряжения, воспроизводимых  государственным первичным эталоном, составляют 1В и 10В.

1.3 Государственный  первичный эталон воспроизводит  единицу напряжения на основе  использования значения константы Джозефсона К1 со средним квадратическим отклонением (далее СКО) результатов измерений S0, не превышающим 1*19-9 при 20 независимых измерениях. Неисключенная систематическая погрешность (НСП) не превышает 1*10-9.

1.4 Государственный  первичный эталон применяют для передачи размера единицы напряжения вторичным эталонам сличением с помощью конденсатора (компаратора напряжений или нановольтметра). СКО метода передачи размера единицы S0 составляет (0,5-5,0)*10-9.

2.1 В  качестве вторичных эталонов  используют эталон – копию и эталон сравнения.

2.2 Эталон  – копия состоит из группы  термостатированных насыщенных  нормальных элементов (далее –  НЭ) и мер напряжения на стабилитронах,  в том числе транспортируемых.

Номинальные значения напряжения и ЭДС эталона  копии составляют 1В и 10В.

3. СКО результатов сличений эталона копии с государственным первичным эталоном S0 при 60 независимых измерениях не должно превышать 1,3*10-8 при номинальном значении напряжения 1В и 3*10-8 при номинальном значении напряжения 10В.

Предел допускаемой нестабильности V эталона копии за межповерочный интервал не должен превышать:

1*10-7 для  среднего значения ЭДС группы  НЭ;

3*10-7 для  мер напряжения на стабилитронах.

4. Эталон копию применяют для передачи размера единицы напряжения рабочим эталонам 0 разряда и поверки рабочих средств измерений классов точности от 0,00005 до 0,0002 сличением с помощью компаратора (потенциометра постоянного тока, компаратора напряжений, нановольтметра или транспортируемой меры напряжения на стабилитронах из состава эталона – копии). СКО метода передачи размера единицы S0 составляет (1,5-3,0)*10-8.
5. В качестве эталона сравнения используют транспортируемую меру напряжения на основе эффекта Джозефсона.

Номинальные значения напряжения составляют 1В и 10В.

6. СКО результатов сличений эталона сравнения с государственным первичным эталоном S0 при 30 независимых измерениях не должно превышать 2*10-9.

Передел допускаемой нестабильности V0 эталона сравнения за цикл сличений не должен превышать 1*10-9.

7. Эталон сравнения применяют для сличений государственного первичного эталона с рабочими эталонами 0 разряда, имеющими в составе меру напряжения на основе эффекта Джозефсона и поверки рабочих средств измерений класса точности 0,000005, а также для международных сличений с национальными эталонами других стран сличением с помощью компаратора. СКО метода передачи размера единицы напряжения S0 составляет (0,5-5,0)*10-9.

3. Рабочие эталоны

3.1 Рабочие эталоны  0 разряда

3.1.1 В  качестве рабочих эталонов (далее  – РЭ) 0 разряда используют:

А) группу термостатических насыщенных НЭ с мерами напряжения на стабилитронах или без них (приложение А – группа НЭ, меры напряжения);

Б) группу термостатических насыщенных НЭ с мерами напряжения на стабилитронах (включая  транспортируемые) или без них  в комплекте с мерой напряжения на основе эффекта Джозефсона;

В) меру напряжения на основе эффекта Джозефсона.

Номинальные значения напряжения РЭ 0 разряда составляют 1В;10В.

3.1.2 СКО  результатов сличений S0 РЭ 0 разряда за межповерочный интервал не должен превышать:

5*10-7 для РЭ по 3.1.1, перечисление а);

(1-3)10-7 для РЭ по 3.1.1, перечисление б)

5*10-6 для РЭ по 3.1.1, перечисление в)

3.1.3 РЭ 0 разряда применяют для поверки  РЭ 1-го разряда, а также для  поверки и калибровки рабочих  средств измерений классов точности от 0,00005 до 0,0002 сличением с помощью компаратора (потенциометра постоянного тока, компаратора напряжений, нановольтметра или транспортируемой меры напряжения на стабилитронах из состава РЭ 0 разряда) или методом прямых измерений. СКО метода передачи размера единицы напряжения S0 составляет от 0,2*10-7 до 2,0*10-7.

3.2 Рабочие эталоны  1-го разряда

3.2.1 В  качестве РЭ 1-го разряда используют  меры ЭДС и (или) меры напряжения  на стабилитронах с номинальными  значениями 1В и 10В, а также  меры напряжения от 10 до 1000В.

3.2.2 Доверительные  границы относительных погрешностей 80 РЭ 1 разряда при доверительной  верочтности 0,95 не лоджны превышать  (0,2-0,7)*10-6 для мер напряжения от 10 до 1000В (в зависимости от диапазона).

Пределы допускаемой нестабильности V0 РЭ 1 разряда за межповерочный интервал не должны превышать (1,0-1,5)*10-6.

3.2.3 РЭ 1 разряда применяют для поверки  РЭ 2 разряда, а также для поверки  и калибровки рабочих средств  измерений классов точности от 0,0005 до 0,002 сличением с помощью  компаратора (потенциометра постоянного тока, компаратора напряжений, вольтметра или транспортируемой меры напряжения на стабилитронах из состава РЭ 1 разряда) при доверительных границах относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0=(2-7)*10-7 или методом прямых измерений при доверительных границах относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0=(0.2-1.0)*10-6.

3.3 Рабочие эталоны  2-го разряда

3.3.1 В  качестве РЭ 2 разряда используют  меры ЭДС или меры напряжения на стабилитронах с номинальными значениями 1В и 10В, вольтметры и калибраторы напряжения в диапазоне напряжений U до 1000В.

3.3.2 Доверительные  границы относительных погрешностей  σ0 РЭ 2 разряда при доверительной вероятности 0,95 составляют (0,2-5,0)*10-5 ( в зависимости от диапазона измерений).

Пределы допускаемой нестабильности V0 РЭ 2 разряда за межповерочный интервал не должны превышать:

5*10-6 для мер ЭДС и мер напряжения;

2*10-5 для калибраторов напряжения  и вольтметров.

3.3.3 РЭ 2 разряда применяют для поверки РЭ 3 разряда, а также для поверки и калибровки рабочих средств измерений классов точности от 0,005 до 0,02 методом прямых измерений при относитнельной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0=3*10-6 или сличением с помощью компаратора ( потенциометра постоянного тока, вольтметра, прибора для поверки вольтметров) при относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0= 3*10-6. 
 

3.4 Рабочие эталоны  3-го разряда

3.4.1 В качестве РЭ 3 разряда используют меры ЭДС с номинальным значением 1В, вольтметры и калибраторы напряжения в диапазоне напряжений U до 1000В.

3.4.2 Доверительные  границы относительных погрешностей  σ РЭ 3 разряда не должны превышать:

1*10-5 для мер ЭДС;

(0,5-5,0)*10-4 для калибраторов напряжений  и вольтметров.

Пределы допускаемой нестабильности V0 РЭ 3 разряда за межповерочный интервал не должны превышать:

1*10-5 для мер ЭДС;

1*10-4 Для калибраторов напряжения  и вольтметров.

3.4.3 РЭ 3 разряда применяют для поверки  и калибровки рабочих средств измерений классов точности от 0,005 до 5,0 методом прямых измерений при относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0= 0,7*10-5, непосредственным сличением при доверительных границах относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0=(0.2-1.5)*10-4 или сличением с помощью компаратора( потенциометра постоянного тока, компаратора напряжений или вольтметра) при относительной погрешности метода передачи размера единицы напряжения σ0= 0.7*10-5.

4. Рабочие средства  измерений

4.1 В  качестве рабочих средств измерений  используют меры Эдс, меры напряжения, калибраторы напряжения, вольтметры  и измерительные преобразователи  в диапазоне до 1000В классов  точности от 0,000005 до 5,0.

4.2 Пределы  допускаемых относительных погрешностей рабочих средств измерений составляют от 0,05*10-6 до 50*10-3. 
 
 

3.2 Локальная поверочная схема для  прибора.

     Поверка средств измерения

      В основе обеспечения единообразия средств  измерений лежит система передачи размера единицы измеряемой величины. Технической формой надзора за единообразием средств измерений является государственная (ведомственная) поверка средств измерений, устанавливающая их метрологическую исправность.

      Поверка - определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. 
Пригодным к применению в течение определенного межповерочного интервала времени признают те СИ, поверка которых подтверждает их соответствие метрологическим и техническим требованиям к данному СИ.

Средства измерений подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверкам. 
Первичной поверке подвергаются СИ при выпуске из производства или ремонта, а также СИ, поступающие по импорту.  
Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению СИ на период между поверками.  
 Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении госнадзора и ведомственного метрологического контроля за состоянием и применением СИ.

Экспертную поверку выполняют при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам (MX), исправности СИ и пригодности их к применению.

      Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метрологической цепи от эталонов или от исходного образцового средства измерений к рабочим средствам измерений производится в определенном порядке, приведенном в поверочных схемах.

      Поверочная  схема – это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам. 
Различают государственные, ведомственные и локальные поверочные схемы органов государственной или ведомственных метрологических служб. 
Поверке подвергаются СИ, выпускаемые из производства и ремонта, получаемые из-за рубежа, а также находящиеся в эксплуатации и хранении. Основные требования к организации и порядку проведения поверки СИ установлены ГОСТ 8.513-84.  
 
 

3. Метод и средства измерений (эталоны) для поверки вольтметра Д5081.

     При поверке методом сличения необходимо выбрать образцовый прибор, источник  питания и в некоторых случаях масштабный измерительный преобразователь (шунт,  трансформатор тока или напряжения).

     При поверке приборов  в качестве образцовых рекомендуется  применять приборы электродинамической системы (т.е. приборы класса 0,2 и выше).

       Приборы электромагнитной системы иногда применяют  в качестве образцовых, но они  имеют  невысокий класс точности (0,5).

       Применяя  цифровые приборы в качестве образцовых, следует внимательно  отнестись к тому, что они меряют (среднеквадратичное, средневыпрямленное или  действующее значение), в отличии от приборов электродинамических, электромагнитных  и т.д., которые градуируются только в действующих значениях. Действующее значение в  цифровых приборах измеряется исходя из предположения, что на входе прибора  идеальный синусоидальный сигнал, без гармоник.

       Допускаемая погрешность образцового прибора  должна быть, по крайней мере, в 5  раз меньше допускаемой погрешности  поверяемого прибора. При этом следует обратить  внимание на пределы измерения.

       К_обр ≤ К_повер./5*А_повер/А_обр ,

       где К-класс точности поверяемого и  образцового приборов;

       А – нормирующее (крайнее) значение шкалы  поверяемого и образцового прибора.

       При проведении поверки на переменном токе частотой 50Гц запитывание схем  измерения непосредственно от промышленной сети необходимо производить через  стабилизаторы, а затем через фильтры(100Гц и 150Гц). Имея в виду, что напряжение и  частота сети нестабильны, а нелинейные искажения велики.

       Включив поверочную установку, поверяемый прибор прогревают, убеждаются в  отсутствии затирания подвижной части.

       Для определения основной погрешности  и вариации показаний, плавно увеличивая  измеряемую величину, устанавливают  указатель поверяемого прибора на каждую  числовую отметку шкалы (указатель должен каждый раз подходить к отметкам шкалы со  стороны меньших значений). Дойдя до максимальной отметки, следует дать небольшую  перегрузку, чтоб указатель дошел до упора. Затем, плавно уменьшая измеряемую  величину, вновь устанавливают указатель на каждую числовую отметку (указатель  должен подходить к отметкам шкалы со стороны больших значений). При установке  указателя поверяемого прибора на каждую отметку шкалы записывают показания  образцового прибора.