Демонстраційні цифрові вимірювальні прилади
Робота №4 ДЕМОНСТРАЦІЙНІ ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ
Мета роботи. Познайомитися з будовою й дією шкільних демонстраційних приладів та оволодіти навичками їх використання в фізичному демонстраційному експерименті.
Загальний опис приладів
Однією з тендецній розвитку шкільного фізичного експерименту є впровадження цифрових вимірювальних приладів (ЦВП). Цифровими називаються вимірювальні прилади, які здійснюють дискретне кодування вимірюваної величини, що дозволяє відображати її значення на цифровому табло-дисплеї і вводити її в розрахункові математичні схеми. Вони широко застосовуються в сучасних наукових дослідженнях і в технологічних процесах для вимірювання електричних і неелектричних величин: частоти, інтервалів часу, температури, напруги і т.д. Крім суто технічних вони мають низку дидиктичних переваг у порівнянні з аналоговими вимірювалними приладами.
Цифрові вимірювалні прилади позбавлені впливу суб'єктивного фактора на якість відліку показів зі шкали приладу, що забезпечує швидківть і точність вимірювання.
До переваг ЦВП можна віднести також досить широкий діапазон вимірюваних велиин з високою точністю вимірювання, можливість представлення результатів вимірювання в цифровому вигляді, запис їх друкуючим пристроєм, а також уведення в ЕОМ з наступною обробкою одержуваної інформації й подальшим її використанням.
Цифровий прилад містить у собі, як правило, два обов'язкових функціональних вузли: аналого-цифровий перетворювач (АЦП) і цифровий показуючий пристрій. Аналогово-цифрові перетворювачі перетворюють аналогові сигнали у відповідні їм цифрові, тобто, перетворюють сигнали з неперервним спектром значень у сигнали, що мають дискретну шкалу значень. А показуючий пристій подає значення виміюваної величини в цифровій формі.
Розглянемо роботу ЦВП на прикладі електронного цифрового вольтметра з час-імпульсним перетворенням, за якого вимірювана напруга Ux спочатку перетворюється в часовий інтервал, а потім - набуває цифрового вигляду. Функціональна схема такого вольтметра представлена на мал. 30.
Основними вузлами цифрового вольтметра, що здійснюють зв’язок вимірюваної напруги з часовим інтервалом, є: два порівнюючі пристрої, генератор лінійно наростаючої напруги "ГЛІН" і тригер. До подачі на вхідний пристрій вимірюваної постійної напруги Ux керуючий пристрій забезпечує скидання попередніх показів лічильника, запускає "ГЛІН" і встановлює тригер у положення "0". Вимірювана напруга Ux через вхідний пристрій (дільник напруги) і підсилювач постійного струму подається на вхід 2 пристрою порівняння 2. Вхід 2 пристрою порівняння 1 заземлений. На входи 1 пристроїв порівняння 1 і 2 подається лінійно наростаюча напруга Uн. При рівності вхідних напруг пристрої порівняння на своїх виходах виробляють короткий імпульс. Таким чином, перший імпульс виникає від пристрою порівняння 1 (Uн=0), другий імпульс - від пристрою порівняння 2 при Uн=Ux. При цьому перший імпульс за допомогою тригера забезпечує початок роботи ключа і на лічильник протягом періоду часу TN надходять імпульси з генератора лічильних імпульсів. При подачі на тригер другого імпульсу ключ закривається, а отже, припиняється рахунок імпульсів. Чим більша вимірювана напруга, тим більше імпульсів надходить на лічильник, який їх підраховує, а результати видає на цифровому дисплеї.
Принцип дії цифрового вольтметра покладений в основу будови інших електричних ЦВП.
Цифровий амперметр - прилад для вимірювання сили струму з цифровою індикацією. У ньому використовується прямий метод вимірювання сили струму, який полягає у вимірюванні за допомогою цифрового вольтметра спаду напруги на еталонному резисторі з відомим значенням опору.
Цифровий омметр - прилад для вимірювання опору з цифровою індикацією. Найчастіше використовують два методи вимірювання опорів. По-перше, компенсаційний з використанням вимірювального містка Уітстона. Він забезпечує автоматичне зрівноважування напруг на еталонному резисторі і резисторі, опір якого визначається. Для цього з’єднані відповідно до коду опори поєднуються за командою пристрою керування до містка по черзі, поки не забезпечується рівновага схеми. Другий спосіб полягає в пропусканні через вимірюваний опір струму певного значення. Спад напруги вимірюється за допомогою АЦП й виводиться в цифровій формі в одиницях опору.
Оскільки в основі роботи всіх АЦП лежить вимірювання напруги, їх часто об’єднують у єдиний комбінований прилад, який дістав назву мультиметра. Основою цифрового мультиметра є цифровий вольтметр, що доповнюється спеціальним комутуючим пристроєм для вимірювання різних величин. При цьому застосовуються електричні схеми цифрових амперметрів і омметрів.
Часто цифрові вольтметри оснащують датчиками температури, що дозволяють використовувати їх як термометри, а амперметри можуть окрім вимірювання сили струму мати додаткову функцію - омметра.
У наш час зустрічається значна кількість зразків різноманітних цифрових приладів як для вимірювання якоїсь однієї електричної величини, так і комбінованих. Нижче представлено опис декількох найбільш типових цифрових приладів.
ВОЛЬТМЕТР ЦИФРОВИЙ ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ (ВЦД)
Призначення
Прилад призначений для вимірювання напруги постійного струму в електричних колах навчальних експериментальних установок у ході демонстраційного експерименту з фізики в загальноосвітніх школах і середніх професійних навчальних закладах. Прилад автоматично може визначати полярність вимірюваної напруги.
Загальний опис
Прилад змонтований у пластмасовому корпусі, в якому розміщена плата з електричними елементами, перемикач меж вимірювання та світлодіодний індикатор, на якому відображаються результати вимірювань (мал. 31). Живлення приладу відбувається через окремий нестабілізований блок живлення БПН 9-0,5. У комплект входить два з’єднувальних провідники з затискачами та інструкція з експлуатації.
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Вимірювана напруга, В | 19,99...199,9 |
| 2 | Похибка вимірювання, % | 1,5 |
| 3 | Спад напруги на амперметрі в колі вимірювання сили струму, В | 0,2 |
| 4 | Вхідний опір для постійного струму, Мом | 10 |
Послідовність роботи з приладом
Використовуючи з’єднувальні провідники, вимірник-індикатор підключають паралельно ділянці електричного кола, на кінцях якого потрібно виміряти електричну напругу. Після цього прилад з’єднують з джерелом живлення, яке вмикають у мережу 220 В. Свічення світлодіодної панелі вимірника-індикатора сигналізує про готовність приладу до роботи. За допомогою перемикача вибирається необхідний діапазон вимірювань. Вимикання приладу виконується в зворотному порядку.
АМПЕРМЕТР ЦИФРОВИЙ ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ (АЦД)
Призначення
Прилад призначений для вимірювання сили струму в електричних колах постійного струму навчальних експериментальних установок у ході демонстраційного експерименту з фізики в середніх навчальних закладах.
Загальний опис
Конструктивно прилад оформлений як і вольтметр ВЦД (див. мал. 31).
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Вимірювана сила струму (постійного), А | 0,199...1,999 |
| 2 | Похибка вимірювання, % | 1,5 |
| 3 | Спад напруги на амперметрі в колі вимірювання сили струму, В | 0,2 |
Послідовність роботи з приладом
Збирають навчальну експериментальну установку, включивши в розрив електричного кола, в якому потрібно виміряти силу струму, вимірник-індикатор, використовуючи з’єднувальні приводи. Вимірник-індикатор підключають до джерела живлення. Джерело живлення підключають до мережі 220 В і вмикають його. Свічення світлодіодної панелі вимірника-індикатора сигналізує про готовність приладу до роботи. За допомогою перемикача меж вимірювання, обирають необхідний діапазон вимірювання.
Відключення виконується в зворотному порядку.
Час безперервної роботи приладу не повинен перевищувати 45 хвилин. Повторне включення можна робити не раніше, ніж через 15 хвилин. При роботі приладу з максимально допустимими струмами навантаження варто застосовувати повторно короткочасний режим, з періодом роботи не більше 5 хвилин.
ВОЛЬТМЕТР ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ ЦИФРОВИЙ (З ГАЛЬВАНОМЕТРОМ) ВДЦ-1С
Призначення
Вольтметр демонстраційний цифровий з комплекту вимірювальних приладів модульної конструкції призначений для вимірювання напруги в колах постійного й змінного струму при проведенні демонстраційних дослідів з фізики (мал. 32; 33).
Загальний опис
Цифрові прилади для вимірювання різних електричних величин можуть відрізнятися тільки вхідними перетворювачами вимірюваної величини в напругу. Пристрої порівняння напруги, що поступає на ЦАП, її перетворення в цифровий код та пристрій індикації значення величини можуть мати однакову конструкцію. Це дозволяє створювати пристрої, у яких можуть бути різними лише вхідні модулі й створювати різні прилади з різними діапазонами вимірювань на основі одного й того ж вимірювального блоку, або на основі одного й того ж вимірювального блоку створювати прилади для вимірювання кількох різних величин - мультиметри. Приклади побудованих за такими схемами приладів описані нижче. Це - комплект модульних приладів для вимірювання напруг, сил струмів, опорів та індукції магнітного поля (за рахунок інших вставних модулів перелік вимірюваних величин може бути значно розширений) та комплект "амперметр-вольтметр-мультиметр".
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Номінальн напруга живлення, В | 12 |
| 2 | Частота струму, Гц | 50-60 |
| 3 | Споживаний струм, А | не більше 0,1 |
| 4 | Висота цифр індикатора, мм | не менше 38 |
| 5 | Робочий діапазон температур електронного блоку, °С | -20...+85 |
| 6 | Вимірювана напруга постійного струму, В | 0...0,50...300...300 |
| 7 | Вимірювана напруга змінного струму, В | 0...300 |
Експлутаційні характеристики
| Вимірювана величина | Межа вимірювання | Розрізнювальна здатність | Мін. значення вимірюваної величини |
|---|---|---|---|
| Напруга постійного струму | 500 мВ | 0,5 мВ | 1 мВ |
| 30 В | 30 мВ | 60 мВ | |
| 300 В | 0,3 В | 3 В | |
| Напруга змінного струму | 300 В | 0,3 В | 3 В |
У комплект входять
- Модуль вимірювального блоку - 1 шт
- Модуль вставний 0...500 мВ (постійн.) — 1 шт.
- Модуль вставний 0...30 В (постійн.) — 1 шт.
- Модуль вставний 0...300 В постійн.) - 1 шт.
- Модуль вставний 0...300 В (змін.) — 1 шт.
- Мережевий адаптер 12/220 В, 50 Гц — 1 шт.
- Посібник з експлуатації - 1 шт.
Прилад разом із вставним модулем є перетворювачем фізичної величини (напруги, сили струму) в електричний сигнал, рівень якого відображається на цифровому дисплеї. Особливістю приладу є те, що при зміні модулів не потрібно проводити калібрування. Воно виконується автоматично, програмним методом. На задній панелі прилад має магнітні тримачі, що дозволяють кріпити його до магнітної дошки.
АМПЕРМЕТР ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ ЦИФРОВИЙ (З ГАЛЬВАНОМЕТРОМ) АДЦ-1С
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Номінальн напруга живлення, В | 12 |
| 2 | Частота струму, Гц | 50-60 |
| 3 | Споживаний струм, А | не більше 0,1 |
| 4 | Висота цифр індикатора, мм | не менше 38 |
| 5 | Робочий діапазон температур електронного блоку, °С | -20...+85 |
| 6 | Вимірювана сила струму (постійного), мА | 0,004...22...1000 |
| 7 | Вимірювана сила струму (змінного), А | 0,02...100,1...100 |
Експлутаційні характеристики
| Вимірювана величина | Межа вимірювання | Розрізнювальна здатність | Мін. значення вимірюваної величини |
|---|---|---|---|
| Сила струму (постійного) | 2 мА | 2 мкА | 4 мкА |
| 1 А | 1 мА | 2 Ма | |
| Сила струму (змінного) | 10 А | 10 мА | 20 мА |
| 10 А | 10 мА | 20 мА |
У комплект входять
- Модуль вимірювального блоку - 1 шт
- Модуль вставний 0...2 мА (постійн.) — 1 шт.
- Модуль вставний 0...1 А (постійн.) — 1 шт.
- Модуль вставний 0...10 А постійн.) - 1 шт.
- Модуль вставний 0...10 А (змін.) — 1 шт.
- Адаптер мережі 12/220 В, 50 Гц — 1 шт.
- Посібник з експлуатації - 1 шт.
Підготовка приладів до роботи
- Уставити роз’єм обраного вставного модуля в гніздо модуля вимірювального блоку.
- Уставити роз’єм адаптера в гніздо живлення модуля вимірювального блоку.
- Увімкнути адаптер у мережу 220 В, 50 Гц.
Набір цифрових вимірювальних приладів (індуктивність, ємність, опір, температура)
Призначення
Набір (мал. 34) призначений для вимірювання активного опору електричних кіл, індуктивності котушок і ємності конденсаторів при проведенні демонстраційних дослідів з фізики.
Загальний опис
Вимірювальний блок разом з одним із модулів є перетворювачем фізичної величини (активного опору, індуктивності котушки, ємності конденсатора, температури) в електричний сиграл, рівень якого відображається на цифровому дисплеї. Діапазон вимірювання обирається автоматично, що забезпечує максимальну точність вимірювань. На задній панелі блоку розташовані магнітні тримачі, що дозволяють кріпити його до магнітної дошки.
Експлутаційні характеристики
| Вимірювана величина | Межа вимірювання | Розрізнювальна здатність | Мін. значення вимірюваної величини |
|---|---|---|---|
| Активний опір | 1 кОм | 1 Ом | 3 Ом |
| 10 кОм | 10 Ом | 100 Ом | |
| 100 кОм | 100 Ом | 1 кОм | |
| 1 МОм | 1 кОм | 10 кОм | |
| Індуктивність котушки | 1 мГн | 1 мкГн | 3 мкГн |
| 10 мГн | 10 мкГн | 100 мкГн | |
| 100 мГн | 0,1 мГн | 1 мГн | |
| 1 Гн | 1 мГн | 10 мГн | |
| 10 Гн | 10 мГн | 100 мГн | |
| Ємність конденсатора | 1000 пФ | 1 пФ | 3 пФ |
| 10000 пФ | 10 пФ | 100 пФ | |
| 0,1 мкФ | 100 пФ | 1000 пФ | |
| 1 мкФ | 1000 пФ | 10000 пФ | |
| 10 мкФ | 0,01 мкФ | 0,1 мкФ | |
| Діапазон вимірюваних температур, °С | +125 | 0,1 | -55 |
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Напруга живлення, В | 12 |
| 2 | Споживаний струм, А | Не більше 0,1 |
| 3 | Висота цифр індикатора, мм | Не менше 38 |
| 4 | Робочий діапазон температур електронного блока, °C | -20...+85 |
У комплект входять (мал.34)
- Модуль вимірювального блоку - 1 шт.
- Модуль омметра - 1 шт.
- Модуль вимірника індуктивності - 1 шт.
- Модуль вимірника ємності - 1 шт.
- Модуль температурного датчика - 1 шт.
- Мережеві адаптери 12/220 В, 50 Гц - 2 шт.
- Посібник з експлуатації - 1 шт.
КОМПЛЕКТ "ВОЛЬТМЕТР І АМПЕРМЕТР ЦИФРОВІ"
Призачення
Прилади (мал. 35) призначені для вимірювань у колах постійного й змінного струмів при вивченні електродинаміки.
Загальний опис
У комплект входить приставка, що дозволяє разом з вольтметром продемонструвати явище самоіндукції та перехідні процеси в колах з конденсаторами.
Експлутаційні характеристики
| Вимірювана величина | Межа вимірювання | Розрізнювальна здатність | Мін. значення вимірюваної величини |
|---|---|---|---|
| Напруга постійного струму | 200 мВ | 0,1 мВ | 0,2 мВ |
| 2 В | 1 мВ | 2 мВ | |
| 20 В | 10 мВ | 20 мВ | |
| 200 В | 10 мВ | 200 мВ | |
| 1000 В | 1 В | 2 В | |
| Напруга змінного струму | 200 мВ | 0,1 мВ | 0,5 мВ |
| 2 В | 1 мВ | 10 мВ | |
| 20 В | 10 мВ | 20 мВ | |
| 200 В | 100 мВ | 0,5 В | |
| 750 В | 1 В | 5 В |
- Живлення від мережі напругою - 220 В.
- Споживана потужність - 5 ВА.
ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ МУЛЬТИМЕТР З ЦИФРОВИМ ВІДЛІКОМ ФД
Призначення
Мультиметр (мал. 36) призначений для використання в демонстраційних дослідах, лабораторних роботах, регулюванні, ремонті та інших роботах, пов’язаних з вимірюванням електричних величин.
Мультиметр застосовується для вимірювання напруги й сили постійного струму, середньоквадратичного значення сили й напруги змінного струму синусоїдальної форми кривої, опору постійному струму, ємності конденсаторів, коефіцієнта статичної передачі струму біполярних транзисторів, частоти, температури, тестування р-п переходів і провідності.
Загальний опис
Живлення мультиметра здійснюється як від вбудованого електрохімічного елемента, так і від джерела живлення з ЕРС 9В - батарея типу 6F22 ("Крона"), або від зовнішнього джерела стабілізованої напруги. Прилад оснащений з’єднувальними шнурами, штативом, блоком живлення й термопарою.
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Напруга живлення, В | 12 В |
| 2 | Діапазон вимірювання напруги постійного струму | 100 мкВ...1000 В |
| 3 | Діапазон напруги змінного струму частотою від 40 Гц до 400 Гц | 1 мВ...700 В |
| 4 | Висота індикатора, мм | не менше 55 |
| 4 | Діапазон вимірювання сили струму (постійного) | 1 мкА...20 А |
| 4 | Час вимірювання | не більше 5 с |
Експлутаційні характеристики
| 1 | Діапазон вимірювання сили струму (змінного) частотою 40 Гц до 400 Гц | 10 мкА...20А |
| 2 | ... вимірювання опору постійного струму | 0,1 Ом...20 МОм |
| 3 | ... вимірюсання електричної ємності | 1 пФ...20 мкФ |
| 4 | ... вимірювання частоти | 10 Гц...20 кГц |
| 5 | ... вимірювання температури (з використанням термопари) | -50°C ...1000°C |
Послідовність роботи з приладом
Прилад приєднують до джерела струму й з’єднують з дисплеєм. Вибір режиму роботи здійснюється як і в інших подібних приладах.
УВАГА! Правила безпеки та умови збереження однакові для всіх вимірювальних приладів цього типу. Прилади повинні експлуатуватися в навчальному кабінеті відповідно до вимог до організації навчальних кабінетів, згідно з нормами розміщення устаткування й умовами його роботи. Експлуатувати прилади мають право лише викладачі й технічні працівники навчального кабінету, ознайомлені з правилами техніки безпеки при експлуатації електроустаткування. Учні до експлуатації приладів не допускаються. Забороняється експлуатувати прилади, що мають механічні ушкодження й зі знятою кришкою джерела живлення. Усі з’єднання проводити при знеструмленому стані приладу.
Підготовка до виконання роботи
- За поданим описом та паспортами на прилади вивчити будову та принцип дії приладів, які запропоновані в даній роботі.
- Записати основні технічні й експлуатаційні характеристики приладів і вимоги щодо їх експлуатації.
- За програмами та підручниками з фізики для середньої школи з'ясувати, при вивченні яких тем можуть бути використані дані прилади.
- Знайти відповіді на запитання:
- На яких принципах основана робота цифрових електровимірювальних приладів?
- Які переваги використання цифрових приладів у порівнянні з аналоговими?
- Як за зовнішнім виглядом та позначками на приладі визначити, для вимірювання яких фізичних величин його можна використати?
- З якого діапазону меж вимірювання приладу слід починати вимірювання напруг та сил струмів, якщо невідоме орієнтовне значення вимірюваної величини?
- Що таке інструментальна похибка приладу? Чим вона визначається?
- Як визначити межі похибки цифрового приладу?
- Обрати заліковий рівень завдання, згідно графіка відібрати демонстрації й за підручниками та посібниками з методики фізики ознайомитися з методикою й технікою їх проведення.
- Скласти конспект.
Заліковий рівень № досліду 1 2 3 Низький X Середній X X Високий X X X - Відмітити особливості техніки виконання дослідів згідно з питаннями для самоконтролю й звітності
ВИКОНАННЯ ДОСЛІДІВ
Дослід 4-01. Вимірювання напруг у колах постійного й змінного струмів
Обладнання. Вольтметр (мультиметр) цифровий; напівпровідниковий фотоелемент; джерела постійної та змінної регульованої напруги; з’єднувальні провідники.
Зміст і послідовність виконання завдання
- Познайомитися за технічними описами з будовою запропонованих приладів, їх комплектацією, діапазонами вимірюваних ними величин.
- Приєднати цифровий вольтметр (мультиметр) до фотоелемента та виміряти напруги на ньому за різних умов освітленості. Записати значення виміряних напруг.
- Приєднати демонстраційний вольтметр до вихідних клем джерела регульованої напруги та визначити мінімальні і максимальні значення постійної та змінної напруги, які можуть бути одержані за допомогою даного джерела.
Дослід 4-02. Вимірювання сил струмів та напруг у колах постійного й змінного струмів
Обладнання. Амперметр (мультиметр) цифровий; джерело постійної та змінної регульованої напруги (наприклад, типу В-24); 2 демонстраційні штепсельні магазини опорів або 2 реостати 15... 100 Ом; набір резисторів різних номіналів; лампочка розжарення на 6 В із номінальним струмом 1...2А на підставці; з’єднувальні провідники.
Зміст і послідовність виконання завдання
- Скласти установку для зняття вольт-амперної характеристики (ВАХ) низьковольтної лампочки розжарення з використанням цифрових вольтметра та амперметра.
- За значеннями номінальних характеристик лампочки розжарення визначити й встановити на приладах діапазони вимірювань напруги й сили струму.
- Результати вимірювань сили струму й напруги занести в таблицю. За результатами досліду побудувати вольтамперну характеристику лампи розжарення (графік I=f(U)). Порівняти отриману характеристику з ВАХ для металевого провідника, зображеною на малюнку в підручнику. Пояснити отримані розбіжності.
- Використати цифрові вимірювальні прилади для ілюстрації дії законів послідовного та паралельного з’єднання провідників, використавши демонстраційні штепсельні магазини опорів або реостати.
- Дати дидактичну оцінку ефективності використання цифрових приладів для проведення цих дослідів.
Дослід 4-3. Вимірювання опорів та температур
Обладнання. Цифровий демонстраційний омметр або мультиметр; термометр електронний демонстраційний (або вольтметр-термометр); напівпровідниковий фотоелемент; джерела постійної та змінної регульованих напруг (наприклад типу В-24); фоторезистор на панелі; освітлювач для тіньової проекції або інше джерело світла; терморезистор на колодочці (у пробірці); електроплитка, чи спиртівка; колба з водою; з’єднувальні провідники.
Зміст і послідовність виконання завдання
- Скориставшись омметром або мультиметром визначити темновий опір фоторезистора та опір освітленою фоторезистора при різних відстанях до джерела світла (відстані обрати самостійно або за вказівкою викладача).
- Скласти установку для зняття температурної характеристики терморезистора. До клем на колодочці з терморезистором приєднати омметр (мультиметр). У пробірку з термістором опустити через отвір у колодочці термодатчик цифровою термометра.
- Визначити початкове значення температури термістора і опору терморезистора. Увімкнути нагрівник і повторити вимірювання через кожні 5...10°С зміни температури. Результати вимірювань занести в таблицю. Побудувати графік залежності опору терморезистора від температури.
|
Самоконтроль і звітність Дати відповіді на запитання:
|
