Лабораторная работа №2

Измерения малых напряжений и токов.

Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений малых постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов, получение навыков измерений малых напряжений и обработки результатов измерений.

Общие сведения

Особенности измерений малых напряжений и токов. Измерение малых напряжений и токов имеет большое значение во многих областях науки и техники: термометрии, фотометрии, кулонометрии, измерении сопротивлений изоляции, измерении ионизирующих излучений и др. Особенностью измерений малых напряжений и токов является чрезвычайно малая мощность источника сигнала. Используемые в настоящее время приборы для измерения малых напряжений имеют порог чувствительности до 10^-12 В, Мощность, которую измерительные приборы потребляют от объекта измерения, составляет 10^-18..10^-20 Вт.

Источники малых напряжений имеют сравнительно (от долей ома до десятков ом) внутреннее сопротивление и развивают напряжение от долей микровольта до нескольких десятков микровольт. Так, например, термоэдс различных материалов с медью изменяется в пределах от 0,1 до 30 мкВ/К, а термоэдс медных проводов различных катушек составляет около 0,01 мкВ/К. Внутреннее сопротивление термопар имеет значение от. 0,01 до 1 Ом, а развиваемая ими мощность лежит в пределах: от 10^-9 до 10^-16 Вт.

Источники малых токов в отличие от источников малых напряжений имеют весьма высокое внутреннее сопротивление - от 10⁶ до 10¹⁸ Ом. Они развивают токи от 10^-6 до 10^-16 А. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, фото умножители и фотоэлемента генерируют ток от 10^-6 до 10^-12 А и имеют внутреннее сопротивление более 10¹³ Ом. На практике обычно считают малыми напряжения менее 1 мкВ и ток менее 1 мкА.

Характеристики приборов для измерения малых напряжений и токов. Кроме характеристик, общих для всех приборов, измеряющих напряжение или ток, приборы для измерения малых значений напряжений и токов характеризуют некоторыми особыми величинами. К ним относят: помехозащищенность приборов, их порог чувствительности, дрейф нулевого уровня, шумы входной цепи и др. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

Помехозащищенность приборов для измерения малых напряжений, и токов. Помехами при измерении постоянных напряжений и токов называют переменные напряжения и токи любой частоты и формы, которые действуют на входных зажимах прибора и искажают результат измерения. Помехи возникают в результате электромагнитных и электростатических наводок, гальванической связи входных целей прибора с паразитными источниками напряжения и тока, термоэдс и контактной разности потенциалов, действующих во входных цепях.

По способу воздействия на входную цепь прибора помехи можно разделить на аддитивные (наложенные) и мультипликативные (модуляционные). Аддитивные помехи могут преобразовываться в мультипликативные при наличии нелинейностей во входных целях.

При исследовании аддитивных помех применим принцип наложения, так как входной сигнал рассматривают как сумму полезного напряжения U_x и напряжения помехи U_п.

При исследовании модуляционных помех принцип наложения неприменим, так как входной сигнал U_х является результатом перемножения напряжения помехи и полезного сигнала.

Мультипликативные помехи проявляются значительно и их влияние на погрешность измерения незначительно.

Аддитивные помехи делят на помехи нормального вида (продольные) и помехи общего вида (поперечные). Помехи нормального вида U_Н действуют между сигнальными проводами, а помехи общего вида U₀ .возникают в цепях заземления приборов, как показано на рис. 1.

Рис.1.

Наиболее эффективно аддитивные помехи ослабляют фильтрацией и интегрированием. С этой целью на входе измерительного прибора включают полосовой фильтр, настроенный на частоту помехи. Если частота помехи неизвестна или изменяется в процессе проведения измерений, то применяют интегрирование.

Интегрирующие цифровые вольтметры эффективно ослабляют помехи нормального вида, наложенные на полезный сигнал, при условии, что полное значение входного напряжения не превышает динамического диапазона входного устройства. Напряжение помехи, подводимое к входу вольтметра, представим в виде

где U_H - амплитуда напряжения помехи, j_п - начальная фаза помехи, wп- угловая частота помехи.

Интегрирующий вольтметр измеряет среднее значение помехи за время интегрирования Т_и , поэтому

Максимальное значение напряжения ошибки от гармонической помехи.

Помехозащищенность определяют напряжения помехи к максимальной погрешности измерения, вызванной этой помехой. Коэффициент ослабления нормальной помехи NMR (normal mode rejection) имеет значение

График зависимости коэффициент ослабления помехи нормального вида от частоты помехи при времени интегрирования 0,1 с и 20 мс приведен на рис.2.

Рис.2.

Помехи общего вида, как показано на рис. 1, приложены между заземлённым корпусом измерительного прибора и заземлённым источником сигнала. Напряжение помехи общего вида может быть обусловлено блуждающими по земле токами и составлять десятки и сотни вольт. Для ослабления помех общего вида входную цепь прибора заключают в защитный экран, который подключают в месте заземления источника сигнала.

На рис. 3.а. изображено включение прибора при отсутствие защитного экрана, а на рис. 3.б. – с защитным экраном. Подключение прибора с защитным экраном к источнику сигнала выполняют при помощи двухпроводного экранированного кабеля.

Коэффициент ослабления помехи общего вида CMR (common mode rejection) определяют отношением максимального значения напряжения помехи U_о к максимальной погрешности измерения U_оm , вызванной этой помехой.

В характеристиках приборов обычно указывают коэффициенты ослабления помехи общего вида на постоянном токе или переменном токе промышленной частоты 50 Гц. Для интегрирующих приборов это значение коэффициента ослабления помехи является результатом совместного влияния защитного экрана и интегрирования. Кроме того, коэффициент ослабления помехи измерит при включении между входными зажимами измерительного прибора сопротивления, эквивалентного внутреннему сопротивлению источника сигнала (обычно до 1000 Ом).

Поскольку входные зажимы прибора имеют различные сопротивления утечки на защитный экран, то зажим, имеющий большое сопротивление утечки, называют высокопотенциальным и обозначают буквами ВП, а зажим с меньшим сопротивлением утечки - низко потенциальным и обозначают буквами НП. Номограмма для определения допустимого напряжения помехи общего вида при заданных значениях CMR и погрешности U_om приведена на рис.4

Дрейф нулевого уровня. Существенным недостатком микровольтметров и нановольтметров постоянного тока является дрейф их нулевого уровня»

Дрейф нулевого уровня - это самопроизвольное изменение выходных показаний при отсутствии входного сигнала. Обычно его оценивают эквивалентным входным напряжением, необходимым для возвращения выходного напряжения к первоначальному нулевому уровню.

Дрейф нулевого уровня может быть вызван температурными изменениями или временной нестабильностью, поэтому его разделяют на температурный и временной. Температурный дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения при изменении температуры на 1 К. В современных микровольтметрах температурный дрейф составляет 0,1...0,001 мкВ/К

Временной дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения за определенный интервал времени, например за час, или за сутки. У наиболее точных приборов благодаря периодической коррекции нулевого уровня временной и температурный дрейфы значительно снижены и не превышают 0,01 мкВ.

Основными причинами, вызывающими дрейф нулевого уровня, являются термоэдс, возникающие при контакте разнородных материалов во входных цепях, временное старение элементов. Влияние изменений питающих напряжений и др. Для снижения дрейфа нулевого уровня используют температурную стабилизацию входных цепей прибора и напряжений питающих источников, а также периодическую коррекцию нулевого уровня. Так, например, в цифровом вольтметре B7-21 коррекция нулевого уровня прибора выполняется автоматически один раз после ста циклов измерений
Порог чувствительности. Наименьшее значение входного си
гнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора, называют его порогом чувствительности. Порог чувствительности зависит от шумов входной цепи прибора и дрейфа нулевого уровня.
Порог чувствительности магнитоэлектрического прибора определяется мощностью Pи , потребляемой прибором от объекта измерения. В установившемся режиме эта мощность лежит в пределах от 10^-7 до 10^-9 Вт и определяет минимальное измеряемое напряжение:

которое сопровождается заметным отклонением указателя.

Так, например, порог чувствительности магнитоэлектрического гальванометра М95 на пределе 0,5 мВ составляет 5 мкВ. Для защиты от внешних магнитных к электрических помех измерительный механизм помещен в экран, который соединен с зажимом Э. Для исключения влияния токов утечки на результате намерений экран подключают к одному из зажимов прибора.

Порог чувствительности электронных приборов зависят от шумов электронного усилителя. Применение малошумящих усилителей позволяет получить порог чувствительности около 10^-9...10^-10 В. Современные электронные микровольтметры и нановольтметры имеют порог чувствительное» 10^-9...10^-10 В.

Программа работы

1. Определение основной погрешности.
2. Определение чувствительности и цены деления приборов.
3. Определение дрейфа нулевого уровня.
4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида.
5. Определение ослабления помехи общего вида.
6. Определение частотной погрешности.

Порядок выполнения работы.

1. Определение основной погрешности. Основная погрешность определяется ля микровольтметра В2-11. Определение погрешности производится по схеме, изображенной на рис. 5. Для определение погрешности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого ручкой «Установка нуля» установить нулевое показание прибора В2-11 при включённом источнике напряжения ИРН-64.

Рис.5

Затем включить источник ИРН-64 и произвести поверку микровольтметра В2-11 на двух диапазонов – 100мВ и 100 мкВ. Цифровой вольтметр В7-21 используется в качестве образцового прибора. Результаты измерений заносятся в ф.1.

Форма 1

Показание поверяемого прибора Uпов, мкВ	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Показание образцового прибора Uобр, мкВ
Основная погрешность , %

Расчёт основной погрешности выполняется по формуле

2. Определение чувствительности и цены деления производится для потенциалометра КСП-4 по схеме, изображенной на рис.6.

Рис.6.

Для определения чувствительности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого при выключенном источнике ИРН-64 ручкой «Установка нуля» прибора КСП-4 установить указатель на нулевое деление шкалы. В качестве образцового прибора используется цифровой вольтметр В7-21.

Затем включить источник ИРН-64 и, изменяя напряжение от 0 до 10 мВ, измереть напряжение для всех оцифрованных делений шкалы прибора КСП-4. Результаты измерений занести в ф.2.

Форма 2.

Чувствительность определяется по формуле S=X_пов/U_обр. Среднее значение чувствительности по диапазону находят по формуле

где S_k – чувствительность ля k-го значения шкалы КСП-4; N – число оцифрованных делений шкалы.

Цена деления прибора определяется по формуле

3. Определение дрейфа нулевого уровня микровольтметра В2-11 выполняется по схеме, изображенной на рис. 7, Для регистрации дрейфа нулевого уровня прибора B2-11 используется автоматический самопишущий потенциометр КСП-4. Определение дрейфа нулевого уровня производится для двух пределов прибора B2-11 - 30 и 100 мкВ.

Рис.7.

При определении дрейфа вход микровольтметра закорачивается, а выход его подключается к входу потенциометра КСП-4. На ленте потенциометра КСП-4 регистрируется дрейф нулевого уровня прибора B2-11 за время 10...15 мин после включения протяжки диаграммной ленты. Значение дрейфа вычисляют по формуле

где Uмакс максимальное изменение выходного напряжения прибора B2-11 за время t; К_у - коэффициент усиления микровольтметра, зависящий от предела измерения. На пределе 100 мкВ К_у=100, а на пределе 30 мкВ К_у=330.

4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида цифрового вольтметра B7-21 выполняют по схеме, изображенной на рис. 8.

Рис.8.

На вход цифрового вольтметра B7-21 от генератора .Гб-15 подается гармоническое напряжение с частотой,, изменяющейся в пределах от 10 до 120 Гц через 10 Гц. Значение выходного напряжения генератора устанавливается равным пределу измерения цифрового вольтметра В7-21. Например, при измерении коэффициента ослабления на пределе 10 мВ выходное напряжение генератора устанавливается равным 10 мВ.
При каждом значении частоты входного сигнала регистрируется максимальное показание цифрового вольтметра В7-21. Результаты измерений заносятся в ф.3.

Форма 3

Характеристика	Частота, Гц
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
Максимальное показание вольтметра Uн, мВ
NMR, дБ

Коэффициент ослабления помехи нормального вида вычисляются по формуле NMR=20lg(U_н/U_н), дБ.

Примечание. Для каждого установленного значения частоты нужно некоторые время наблюдать за изменяющимися показаниями прибора В721 и фиксировать наибольшее по абсолютному значению ?Uн. Эти изменения связаны со случайными изменениями начальной фазы генератора Г6-15 по отношению к напряжению сети, относительно которой синхронизируются интегратор вольтметра В7-21.

5. Определение коэффициента ослабления помехи общего вида выполняется по схеме, изображенной на рис. 9.

Рис.9

К входу вольтметра В7-21 подключается магазин сопротивлений, имитирующий внутреннее сопротивление источника сигнала. Выходного напряжение генератора Г6-15 подводится между одним из входных зажимов прибора и защитным экраном (или корпусом) прибора В7-21.

Поскольку коэффициент ослабления помехи общего вида для цифрового вольтметра В7-21 имеет значение 140...160 дБ, то для получения заметного отклонения показаний прибора, в соответствии с номограммой рис. 4, необходимо приложить напряжение помехи более 100 В.

Например, при CMR=140 дБ и ошибке, равной 10 мкВ, необходимо приложить напряжение помехи общего вида, равное 100 В. Такую же ошибку можно получить, если внести большую асимметрию в измерительные линии путем увеличения сопротивления Rм при сравнительно низком напряжении помехи общего вида. Поэтому для определения коэффициента ослабления помехи общего вида при напряжении помехи, равном U₀ =10 В, увеличивают сопротивление R_м до тех пор, пока показания, прибора не изменятся на 10 мкВ; Коэффициент ослабления помехи общего вида рассчитывается по формуле

где R_м - сопротивление магазина, кОм, U_o - напряжение помехи, U_o - изменение показаний, прибора B7-2I, R_o = 1 кОм.

б. Определение частотной погрешности. Частотная погрешность определяется для автоматического потенциометра КСП-4 и гальванометра М-95 по схеме, изображенной на рис. 10.

Рис.10

Выход генератора Гб-15 подключается ко входам потенциометра КСП-4 и гальванометра М-95. Выходное напряжение генератора Гб-15 устанавливается равным 5 мB, а выходная частота гармонического сигнала изменяется в пределах от 0,1 до 10 Гц. Результаты измерений заносят в ф.4.

Примечание. Поскольку при низкой частоте сигнала стрелка (указатель) измерительного прибора следит за изменением напряжения, то в таблице заносят максимальное отклонение указателя на данной частоте.

Форма 4

Частотную погрешность измерительного прибора рассчитывают по формуле _д=(U_m/U_m)100%, где U_m=U_m-U_i, U_i – максимальное показание прибора при частоте 0,1 Гц.

Содержание отчёта.

1. Краткие сведения об измерительных приборах, используемых в работе.
2. Таблицы по ф. 1…4.
3. Расчёт и график дрейфа нулевого уровня.
4. Расчёт чувствительности и цены деления потенциометра КСП-4.
5. Расчёт коэффициента ослабления помехи общего вида.
6. Расчёт коэффициента ослабления помехи нормального вида.
7. график частотной характеристики приборов КСП-4 и М-95.
8. Выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Какие напряжения и токи считают малыми?
2. Объяснить особенности измерений малых напряжений и токов.
3. Чем отличается интегрирующие цифровые вольтметры?
4. От чего зависит погрешность автокомпенсационных микровольтметров?
5. Как определяют чувствительность и порог чувствительности микровольтметра?
6. Что такое дрейф нулевого уровня?
7. Какие помехи называются помехами нормального вида?
8. Какие помехи называются помехами общего вида?
9. Как определить коэффициент ослабления помехи нормального вида?
10. Как определить коэффициент ослабления помехи общего вида?
11. Объяснение причины частотной погрешности микровольтметра.

Литература

1. Александров В.С., Прянишников В.А. Приборы для измерения малых напряжений и тока. – Л.: Энергия,1974
2. Александров В.С., Прянишников В.А. Электронные гальванометры постоянного тока. – Л.: Энергия, 1974
3. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры. –Л,: Энергия, 1976
4. Справочник по радиоизмерительным приборам/ Под ред. В.С. Насонава. – М.: Сов. Радио, 1976.