Контрольная работа / 1- 0_Измерительная техника

Министерство образования РФ

Томский университет систем управления и радиоэлектроники

Контрольная работа № 1

по дисциплине

«Измерительная техника и датчики»

1. Вольтметр электростатической системы, подключенный к источнику напряжения, имеющего форму прямоугольных однополярных импульсов, со скважностью 100 имеет показание 100 В. Определить амплитуду импульсов. Определить показание выпрямительного вольтметра с однополупериодной схемой выпрямления, подключенного к тому же источнику.

Решение:

Рассчитаем в MathCAD действующее значение напряжения, которое измеряет вольтметр электростатической системы:

- Мгновенное значение напряжения

- Действующее значение напряжения

Найдем Um из полученного выражения:

В

Рассчитаем в MathCAD показание выпрямительного вольтметра с однополупериодной схемой выпрямления, подключенного к тому же источнику.

В

2. Найти показания вольтметра вида В3 с детектором СКЗ и открытым входом при измерении им напряжения сигнала , если .

Вольтметр вида В3 с открытым входом и детектором СКЗ реагирует на среднее квадратическое значение сигнала , которое определяется выражением: .

Рассчитаем в MathCAD:

В

- Мгновенное значение напряжения

В

3. Цифровой вольтметр частотного преобразования измеряет напряжение (2-10) В. Максимальная частота преобразования составляет 1 кГц. Определить минимальную частоту счетных импульсов для получения погрешности дискретности не хуже 0.1%, учитывая, что цифровое измерительное устройство работает в режиме измерения периода без усреднения.

Рассчитаем в MathCAD:

Гц - максимальная частота преобразования - погрешность

В В

- динамический диапазон

- максимальное количество счетных импульсов

Отсюда¹:

Гц

4. Электронным осциллографом исследуется импульсный сигнал. Верхняя частота полосы пропускания канала вертикального отклонения . Относительная погрешность измерения длительности фронта импульса . Определить длительность фронта входного импульса и время нарастания осциллографа.

Время нарастания и верхняя частота полосы пропускания связаны соотношением: , тогда .

Величина фронта импульса, измеренная с помощью осциллографа: . Величина относительной погрешности: . Для определения искомой величины необходимо решить систему уравнений: .

Решаем систему относительно . .

5. Известно, что время измерения цифрового частотомера . Определить максимальное значение относительной погрешности дискретности при измерении частоты сигналов в диапазоне от 0,001 до 1 МГц.

Известно, что относительная погрешность дискретности , где - число периодов импульсов неизвестной частоты, укладывающихся во время измерения . .

Тогда ;

.

Из приведенных вычислений видно, что максимальное значение погрешности будет при , и составит .

6. Определить максимальное значение измеряемой емкости с использованием в цифровом методе апериодического разряда конденсатора через активное сопротивление, если известны следующие параметры измерителя:

Образцовое сопротивление резистора в цепи разряда 100 Ом;

Максимальная емкость счетчика ;

Частота генератора счетных импульсов 1 МГц.

, откуда , . Так как следовательно .

7. Сигнал с частотой 400 Гц подключен к нагрузке, представляющей собой параллельное соединение резистора 100 Ом и конденсатора емкостью 4 мкФ. К одной десятой части сопротивления подключен амплитудный вольтметр, показывающий 100 В. Определить активную, реактивную и кажущуюся мощность сигнала, падающего на нагрузке.

Амплитудный вольтметр показывает амплитуду сигнала , действующее значение напряжения . На всем сопротивлении действующее значение напряжения: . Так как сопротивление и конденсатор соединены параллельно, следовательно, напряжение на конденсаторе: .

Реактивное сопротивление конденсатора: .

Активная мощность: .

Реактивная мощность: .

Кажущаяся мощность: .

8. Привести структурную схему и описать принцип работы тесламетров с гальваномагнитными преобразователями. Привести необходимые математические соотношения и эпюры напряжений в отдельных блоках прибора. Описать достоинства, недостатки, области применения приборов.

Тесламетр – магнитоизмерительный прибор для измерения магнитной индукции, шкала которого проградуирована в единицах магнитной индукции – теслах.

Преобразователем в таком приборе является гальваномагнитный преобразователь Холла. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток.

Принцип действия тесламетра поясняется на рисунке 1, где ПХ – преобразователь Холла, У – усилитель, мВ – милливольтметр.

Рисунок 1.

При помещении пластины (преобразователь Холла) в магнитное поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины, на боковых ее гранях возникает ЭДС Холла: , где

- постоянная Холла, зависящая от материала пластинки,

- толщина пластинки,

- ток через пластинку.

После усиления ЭДС Холла измеряется компенсатором постоянного тока или милливольтметром, шкала которого проградуирована в единицах магнитной индукции при условии постоянства силы тока.

Достоинством тесламетров с преобразователем Холла является возможность измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователей.

Недостатком является сравнительно большая зависимость ЭДС от температуры.

9. Составить структурную схему аналогового или цифрового электрического прибора для измерения температуры образцов при исследовании явления сверхпроводимости (диапазон от -150 до -250 градусов Цельсия) с использованием терморезисторного преобразователя.

Описать предположительную конструкцию датчика, его принципы действия и работу прибора в целом, в случае необходимости привести эпюры напряжений и математические соотношения, поясняющие описание. Перечислить причины возникновения погрешностей измерения, возможные меры по их уменьшению.

В данном диапазоне температур способны работать платиновые терморезисторы. Принцип работы терморезисторов основан на изменении сопротивления проводника от температуры. Конструктивно терморезистор представляет собой защитную арматуру из нержавеющей стали, в которую помещают керамическую трубку, содержащую спираль из проволоки. Для электроизоляции и фиксации спирали трубку заполняют порошком безводного оксида алюминия (высокая теплопроводность, малая теплоемкость).

Непосредственно прибор представляет собой неравновесный мост. Рисунок 2.

Схема включения является двухпроводной.

Измерителем разбаланса является логометр. В данном случае устраняется влияние изменения напряжения питания. Сопротивление служит для уравновешивания моста при начальной измеряемой температуре. Сопротивление (уравнительное) дополняет сопротивление внешней цепи (сопротивление проводов, контактов и т.д.) до нормированного значения принятого при градуировке прибора. (контрольное сопротивление) равно сопротивлению , соответствующему определенной отметке на шкале прибора, предназначен для выставления .

При калибровке включают вместо и изменяют до тех пор, пока стрелка логометра не станет на указанную отметку шкалы. После этого закорачивают. Шкалу логометра градуируют в значениях температуры.

В данной схеме термометра достаточна велика погрешность за счет изменения сопротивления проводов при колебании температуры окружающей среды. Для устранения этой погрешности можно использовать трехпроводную схему включения. При этом два провода включают в смежные плечи моста (их сопротивления уравновешивают друг друга), а третий провод включают в диагональ питания (изменение его сопротивления не нарушает баланса моста).

Рисунок 2.

1Отчалко В.Ф., Сидоров Ю.К., Эрастов В.Е. Измерительная техника и датчики – учебно-методическое пособие, Томск 2001, стр. 29, пример решения задачи 3.