PODSTAWOWE MIERNIKI I POMIARY ELEKTRYCZNE - Ćwiczenie nr 1

Transkrypt

1 PODSTAWOWE MIERNIKI I POMIARY ELEKTRYCZNE - Ćwiczenie nr 1 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi miernikami elektrycznymi oraz metodyką pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych: napięcia, prądu rezystancji i mocy, a także z komputerowym wspomaganiem obróbki danych pomiarowych. 2. Wprowadzenie 2.1. Mierniki magnetoelektryczne W mierniku magnetoelektrycznym wykorzystuje się zasadę wzajemnego oddziaływania dwóch pól magnetycznych: pola magnesu trwałego i pola pochodzącego od prądu, przepływającego przez przewodnik. Zgodnie z prawem Biota-Savarta-Laplace'a na przewodnik znajdujący się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, przez który przepływa prąd I, działa siła F. Jeżeli kierunek przepływu prądu i kierunek linii pola magnetycznego są wzajemnie prostopadłe, to siła F jest równa: gdzie a jest długością przewodu znajdującego się pod działaniem pola magnetycznego. Jeżeli zatem w stałym polu magnetycznym o indukcji B umieścić prostokątną cewkę o z zwojach i wymiarach a b (gdzie a - bok prostopadły do kierunku linii sił pola), przez którą przepływa prąd I (rys. 1), to na każdy zwój cewki będzie działała para sił F F, określona wzorem (1). Jeśli oś obrotu cewki przechodzi w połowie boku b, a ϕ oznacza kąt między płaszczyzną cewki i kierunkiem linii sił pola magnetycznego, to para sił F' - F' stara się obrócić cewkę wokół osi. Powstaje moment napędowy: F = B I a, (1) N ϕ F B F F I F S Rys. 1. Zwój cewki w polu magnetycznym b b M n = F ' + F ' = B I a z cos ϕ b. (2) 2 2 Obwód magnetyczny miernika można tak ukształtować, że w kątowym zakresie obrotu cewki Θ min Θ max (rys. 2) indukcja magnetyczna B i kąt ϕ są stałe. Jak wynika z rys. 2, kąt ϕ jest równy 0 o i wobec tego moment napędowy powodujący obrót cewki wynosi: Θ max N Θ min Rys. 2. Geometria nabiegunników magnesu pozwalająca kształtować promieniście skierowane linie sił pola magnetycznego Odchylenie liniowe α końca wskazówki sprzężonej z cewką jest równe S Mn = B a b z I. (3) Ustalenie położenia cewki można uzyskać przeciwdziałając obrotowi momentem siły zwanym momentem zwrotnym. Moment zwrotny M Z jest proporcjonalny do kąta obrotu cewki Θ: Mz = kz Θ, (4) gdzie: k z - stała. W stanie ustalenia położenia cewki moment napędowy jest równy momentowi zwrotnemu: Mn = Mz (5) Na podstawie (3), (4) i (5) uzyskuje się zależność: B a b z Θ = I. (6) k α = k Θ, (7) gdzie: k - stała zależna od długości wskazówki. Tak więc wskazanie przyrządu w granicach obrotu cewki o kąt Θ min - Θ max będzie liniową funkcją prądu k α = B a b z I = S I, (8) k z z

2 gdzie: S - czułość przyrządu, wyrażona w działkach na 1A, zależna od rozwiązania konstrukcyjnego i długości wskazówki. a) M n, M z M n4 M z I 4 M n3 I 3 M n2 I 2 M n1 I 1 b) α 1 α 2 α 3 α 4 α Θ min Θ 1 Θ 2 Θ 3 Θ 4 Θ 0 I 1 I 2 I 3 I 4 I α 0 α 1 α 2 α 3 α 4 α Rys.3. Rodzina przebiegów M n = f(θ) dla różnych prądów (a) oraz podziałka miernika (b) Podziałkę miernika magnetoelektrycznego można wyznaczyć w sposób graficzny, korzystając z rys. 3, na którym przedstawiono zależność momentu napędowego i momentu zwrotnego w funkcji kąta obrotu cewki w zakresie poprawnej pracy miernika, tzn. w zakresie Θ min Θ max, a także w funkcji odchylenia wskazówki od położenia zerowego. Parametrem wykresu momentu napędowego jest prąd przepływający przez miernik. Konstrukcję miernika magnetoelektrycznego pokazuje schematycznie rys. 4. Organ ruchomy miernika składa się z cewki 5 wskazówki 8 i ośki 6. Obwód magnetyczny miernika, składający się z magnesu 1 oraz wykonanych z miękkiej stali nabiegunników 2, 3 i rdzenia 4, wytwarza w odpowiednio ukształtowanej szczelinie indukcję B o rozkładzie, jak na rys. 2. Cewka 5 nawinięta jest cienkim przewodem na aluminiowej ramce, która pełni rolę elementu wzmacniającego konstrukcję miernika, równocześnie stanowi tłumik elektromagnetyczny. W czasie ruchu cewki w szczelinie w zwartym zwoju, jaki stanowi ramka, indukują się prądy wytwarzające moment przeciwdziałający ruchowi. Moment zwrotny uzyskany jest dzięki parze sprężynek zwrotnych 7, spełniających równocześnie rolę przewodów doprowadzających prąd do cewki. Podstawowe właściwości miernika magnetoelektrycznego: a) miernik reaguje bezpośrednio na prąd przepływający przez cewkę, b) kierunek przepływającego prądu decyduje o kierunku ruchu organu ruchomego, c) podziałka miernika jest liniowa, d) miernik jest odporny na zakłócenia polami zewnętrznymi ze względu na bardzo dużą indukcję magnetyczną, którą można uzyskać w wąskiej szczelinie między rdzeniem i nabiegunnikami. Dokładność mierników magnetoelektrycznych można scharakteryzować klasą. Klasa jest określona przez wartość modułu maksymalnego błędu bezwględnego otrzymanego podczas wzorcowania miernika odniesionego do wartości zakresowej miernika z godnie z poniższym wyrażeniem: ma Δx kl = max 100 (9) x zakr Należy podkreślić, że błąd względny pomiaru jest równy klasie jedynie dla wychylenia wskazówki do wartości zakresowej, dla mniejszych wychyleń uzyskane błędy względne są większe od klasy N 5 S Rys. 4. Konstrukcja miernika magnetoelektrycznego Woltomierze i amperomierze magnetoelektryczne Mierniki magnetoelektryczne z zasady działania są amperomierzami i mają stałą rezystancję wewnętrzną R a. Zgodnie z prawem Ohma mogą być stosowane również do pomiaru napięcia, a o tym czy miernik mierzy prąd czy napięcie, decyduje sposób podłączenia go do obwodu. 2 R p + I Ra A U a U v U p Rys. 5. Układ rozszerzający zakres pomiarowy woltomierza

3 Zakres mierzonych prądów i napięć jest ograniczony czułością i rezystancją miernika. Zmianę zakresu pomiarowego woltomierza uzyskuje się przez dołączenie w szereg z miernikiem rezystora nazywanego posobnikiem. Z rys. 5 wynika, że dołączenie posobnika pozwala zwiększyć zakres pomiarowy o napięcie U p. Całkowite napięcie mierzone jest teraz równe: U v = U a + U p. Ponieważ przez miernik i posobnik płynie ten sam prąd, obowiązuje zależność: U a U v =, R R + R ( ) a stąd Rp = n 1 Ra, (10) U v gdzie: n = - mnożnik zakresu pomiarowego. U a Po zmianie zakresu pomiarowego przyrząd należy wyskalować, jeśli nie ma skali, lub wywzorcować, gdy skala jest dana. Zarówno do skalowania, jak i wzorcowania należy stosować przyrządy o klasie co najmniej dwa razy lepszej niż klasa przyrządu badanego. + I I a I b Zwykle buduje się woltomierze wielozakresowe, dołączając do R a miernika kilka posobników. Klasa woltomierza z posobnikiem jest równa sumie klas woltomierza i posobnika. A Amperomierz o rozszerzonym zakresie od I a do I pokazano na rys. 6. Rezystor rozszerzający zakres amperomierza jest włączony R b równolegle do miernika i nazywa się bocznikiem. Ponieważ na amperomierzu i boczniku występuje jednakowy spadek napięcia, więc Rys. 6. Układ rozszerzania zakresu pomiarowego amperomierza stąd a p ( ) IaRa = I I a Rb, I gdzie: n = - mnożnik zakresu pomiarowego. I a Ra Rb = n 1, (11) Dobierając rezystor posobnika i bocznika należy pamiętać o ich dopuszczalnej mocy. Powinna ona być większa od mocy wydzielonej na posobniku lub w boczniku, tzn. Pp 2 U 2 p U R R, P I 2 b b R b I 2 R b. (12) p p W amperomierzach wielozakresowych stosuje się najczęściej bocznik Ayrtona, którego schemat jest przedstawiony na rys I 1 I2 :. I n R 1 :. R 2 R n A I a R d Rys. 7. Schemat układu bocznika Ayrtona R a Wartość rezystancji bocznika można obliczyć z wzorów (13) i (14), które otrzymuje się stosując wzór (11) dla każdego z zakresów bocznika R1 = R, I1 1 Ia ( ) (13) R R R I a i = + 1, i = 23,,...,n, (14) Ii gdzie: R= Ra + Rd Amperomierz cęgowy W celu pomiaru prądu w obwodzie tradycyjnym amperomierzem konieczne jest przerwanie obwodu i wstawienie szeregowo w miejscu przerwy amperomierza. W wielu przypadkach jest to niepożądane i kłopotliwe. Wymienionej wady nie posiadają amperomierze cęgowe, które do pomiaru nie wymagają przerwania obwodu, przez który płynie prąd. Pomiar amperomierzem cęgowym odbywa się bezprzewodowo, na zasadzie zmiany pola magnetycznego wytwarzanego przez przewód z płynącym prądem elektrycznym. 3

4 Starsze rozwiązania amperomierzy cęgowych, przeznaczone wyłącznie do pomiarów prądów przemiennych, były zrealizowane na zasadzie transformatora z toroidalnym rdzeniem, na którym jest nawinięte uzwojenie składające się z dużej liczby zwojów przewodu. Toroidalny rdzeń składa się z dwóch ruchomych części, które tworzą cęgi amperomierza. Po włożeniu pomiędzy cęgi przewodu z mierzonym prądem zmienne pole magnetyczne wywołane płynącym prądem powoduje indukowanie się w uzwojeniu napięcia proporcjonalnego do wartości płynącego prądu. Napięcie to, po przetworzeniu w przetworniku analogowo cyfrowym przedstawia w postaci cyfrowej wartość mierzonego prądu. Nowsze amperomierze cęgowe zrealizowane są z wykorzystaniem hallotronów. Efekt Halla (rys. 8) polega na pojawianiu się dodatkowego pola elektrycznego, w płytce półprzewodnikowej, przez którą przepływa wzdłuż prąd polaryzujący I c i która jest umieszczona w polu magnetycznym. Strumień indukcji pola magnetycznego B generuje siłą Loretza, prostopadłą do kierunku przepływu ładunków tworzących prąd. To powoduje zmianę liczby ładunków na obu krawędziach płytki równoległych do płynącego prądu polaryzującego I c, czyli różnicę potencjałów tworzących napięcie Halla U H. I C B U H Rys. 8. Powstawanie napięcia Halla w płytce półprzewodnikowej umieszczonej w polu magnetycznym Budowę amperomierza cęgowego opartego o wykorzystanie efektu Halla pokazuje rys. 9. W składającym się z dwóch części toroidalnym rdzeniu umieszczony jest hallotron. Zadaniem rdzenia jest skupianie linii sił pola magnetycznego wywołanego przez przepływający prąd I. Wytworzone pole magnetyczne, proporcjonalne do mierzonego prądu I powoduje powstanie napięcia U H, które po przekształceniu na postać cyfrową jest miarą prądu. U H I I C Rys. 9. Budowa amperomierza cęgowego wykorzystującego efekt Halla Amperomierze cęgowe zrealizowane w oparciu o efekt Halla mogą mierzyć zarówno prądy stałe jak i zmienne. Zakres mierzonych prądów rozciąga się od pojedynczych miliamperów do tysięcy amperów Multimetr cyfrowy Multimetry cyfrowe typu Metex są przyrządami podręcznymi do podobnych zastosowań jak wskazówkowe multimetry elektryczne. Używany i badany w tym ćwiczeniu multimetr ME-21 jest miernikiem z 3,5 cyfrowym polem odczytowym o ręcznej regulacji zakresów. Budowa i zasada działania multimetrów tego typu zostanie bliżej wyjaśniona w następnych ćwiczeniach. Dla celów tego ćwiczenia wystarczy wiedzieć, iż struktura multimetru składa się z układu przełączania zakresów i wybierania funkcji przyrządu, przetwornika analogowo/cyfrowego, mikrokomputera do obróbki wyników pomiarów i sterowania, cyfrowego pola odczytowego oraz układu sprzęgającego z interfejsem RS232. Widok płyty czołowej wraz z opisem przełączników w języku angielskim i polskim jest pokazany na rys. 10. Multimetr mierzy: napięcie stałe (DC od direct current) i zmienne (AC od alternating current), prąd stały i zmienny, rezystancję oraz częstotliwość na zakresach uwidocznionych w opisie położeń przełącznika zakresów. Umożliwia także kontrolę stanów logicznych (w położeniu LOGIC), test diod półprzewodnikowych oraz kontrolę przejścia z sygnalizacją dźwiękową (w położeniu oznaczonym ((( ))) ). Przekroczenie zakresu sygnalizowane jest wskazaniem OL (skrót od ang. OVERLOAD). 4

5 1. Włącznik zasilania, 2. Przycisk wyboru AC/DC, 3. Przycisk HOLD, 4. Obrotowy przełącznik zakresów, 5. Zacisk 20A, 6. Zacisk A (amperomierz), 7. Zacisk COM (wspólny), 8. Zacisk V/Ω (woltomierz, omomierz), 9. Wyświetlacz LCD (3 ½ cyfry, max wskazanie 1999), 10. Wskaźnik analogowy (linijka analogowa). Rys. 10. Widok płyty czołowej multimetru ME-21 wraz z opisem Oprócz ww. pomiarów multimetr posiada dodatkowe (nie spotykane w miernikach wskazówkowych) funkcje: 1. Wybierane kolejnym wciśnięciem przycisku HOLD funkcje: pamiętanie wyniku bieżącego (na wyświetlaczu symbol D-H), pamiętanie wartości minimalnej (na wyświetlaczu symbol MIN), pamiętanie wartości maksymalnej wielu pomiarów (na wyświetlaczu symbol MAX). 2. Pomiar stanów logicznych pozycja przełącznika obrotowego LOGIC. 3. Możliwość współpracy z komputerem PC za pomocą interfejsu RS-232C. W celu współpracy z komputerem należy: podłączyć multimetr kablem RS-232C z odpowiednim portem komputera, wprowadzić lub wybrać odpowiedni program komputera i postępować wg menu. Zaciski, które należy wykorzystać przy różnych rodzajach pomiarów, wskazuje poniższa tabela. Funkcja V DC/AC Ω A DC/AC 20A DC/AC FREQ LOGIC Zaciski V/Ω + COM V/Ω + COM A + COM 20A + COM V/Ω + COM V/Ω + COM 2.5. Pomiar mocy i energii Przepływ prądu przez obciążenie powoduje wydzielanie się energii w postaci ciepła. Energia ta jest proporcjonalna do mocy pobieranej przez układ i czasu przepływu prądu. Moc pobierana przez urządzenie jest iloczynem napięcia istniejącego na zaciskach obciążenia oraz prądu płynącego przez obciążenie. P = u i Najczęściej pomiar mocy przeprowadza się metodą pośrednią, tzn. drogą oddzielnego pomiaru prądu i napięcia. Możliwe są dwa układy pomiarowe różniące się konfiguracją przyrządów pomiarowych: układ z poprawnie mierzonym prądem, układ z poprawnie mierzonym napięciem. Ze względu na znacznie większą rezystancję woltomierza od obciążenia w ćwiczeniu zastosowany został układ z poprawnie mierzonym napięciem pokazany na rys. 11. W układzie tym mierzone napięcie u V jest dokładnie równe napięciu na obciążeniu, natomiast ze względu na i V << i o prąd mierzony przez amperomierz i a jest dobrym przybliżeniem prądu płynącego przez obciążenie. i o 5

6 i a A R A i V i o u u V V R o R V Rys. 11. Układ pomiaru mocy z poprawnym pomiarem napięcia Jeżeli przez obciążenie płynie prąd sinusoidalny to moc pobraną przez obciążenie wyrażamy mocą czynną P c = u i cosϕ [W], (15) gdzie: u - napięcie skuteczne w [V], i - prąd skuteczny w [A], ϕ - kąt przesunięcia fazowego między napięciem u i prądem i. Z powyższej zależności wynika, że metodą pośrednią można mierzyć moc czynną tylko na obciążeniu rezystancyjnym, tzn. gdy cos ϕ = 1. Oprócz zaprezentowanej metody pośredniej obecnie do pomiarów mocy i energii coraz częściej stosuje się metody z wykorzystaniem techniki cyfrowego przetwarzania sygnałów (CPS). Przykład takiego rozwiązania zostanie zaprezentowany w ćwiczeniu. Do pomiaru energii elektrycznej i mocy został wykorzystany układ scalony firmy Analog Devices AD7755 stosowany powszechnie w nowoczesnych elektronicznych licznikach energii elektrycznej. Układ ten pozwala na wyeliminowanie tradycyjnych mechanicznych liczników energii, zapewniając dużą dokładność i odczyt w postaci cyfrowej. W układzie AD7755 wykorzystuje się dwa przetworniki analogowocyfrowe do przetwarzania sygnałów analogowych prądu i napięcia na wartości cyfrowe. Dalsze przetwarzanie sygnałów (mnożenie, filtracja, zmiana skali) odbywa się na drodze cyfrowej. Rozwiązanie to pozwala na zachowanie stabilnych parametrów oraz dużej dokładności przy zmianach warunków otoczenia oraz wraz z upływem czasu. Rys. 12. Schemat blokowy układu AD7755 do pomiaru energii elektrycznej Schemat blokowy układu AD7755 jest pokazany na rys. 12. Układ jest wyposażony w dwa przetworniki A/C do których jest doprowadzony sygnał napięciowy (V2P, V2N) oraz prądowy (V1P, V1N). Jako sygnał prądowy może być wykorzystywany sygnał z rezystora o rezystancji rzędu miliomów włączonego w szereg z obciążeniem lub z transformatora prądowego (w układzie laboratoryjnym zastosowano rezystor 1Ω). Przetworniki A/C są typu sigma delta, o rozdzielczości 16 bitów, z próbkowaniem 900 khz. Przetwornik w kanale prądowym ma programowane cyfrowo wzmocnienie (sygnały G1, G2, umożliwiają wybranie wzmocnienia: 1, 2, 8, 16), co pozwala stosować układ do szerokiego zakresem wartości prądu. Zasada działania układu polega na cyfrowym wymnożeniu sygnałów z kanału prądowego i napięciowego, co daje sygnał odpowiadający mocy chwilowej. Z sygnału tego przy pomocy filtru dolnoprzepustowego wydzielana jest część odpowiadająca mocy czynnej, która interesuje odbiorcę energii elektrycznej. 6

7 Moc chwilowa, która jest iloczynem chwilowych wartości prądu i napięcia, dla obciążenia, dla którego cos ϕ = 1, może być wyrażona w postaci gdzie: i( t) = imax sin( ωt), u( t) = umax sin( ωt). P( t) = i( t) u( t), (16) Podstawiając do (16) wyrażenia na i( t), u( t) otrzymamy imax umax P( t) = imax sin( ωt) umax sin( ωt) = (1 cos(2ωt)). (17) 2 W celu wyznaczenia mocy czynnej (tj. składowej stałej z zależności 17) sygnał mocy chwilowej P(t) jest filtrowany w filtrze dolnoprzepustowym, na wyjściu którego otrzymujemy sygnał proporcjonalny do mocy czynnej. Sygnał z wyjścia filtru dolnoprzepustowego w postaci cyfrowej podany jest na przetwornik zamieniający go na impulsy F1, F2 o częstotliwości proporcjonalnej do mocy czynnej. Zliczanie tych impulsów przez elektroniczny lub mechaniczny licznik w określonym czasie pozwala na wyznaczenie zużytej w tym czasie energii elektrycznej. Cały proces przetwarzania odbywa się na drodze cyfrowej, co gwarantuje wysoką stabilność temperaturową i czasową. Dzięki zastosowaniu w kanale prądowym wzmacniacza o regulowanym wzmocnieniu, a także programowanego sygnałami S0, S1 dzielnika częstotliwości, możliwe jest otrzymanie wskazań licznika bezpośrednio w jednostkach energii takich jak kwh, Wh, lub mwh. Zrealizowana w układzie zasada wyznaczania mocy czynnej jest słuszna także dla przebiegów prądu i napięcia przesuniętych w fazie oraz dla przebiegów niesinusoidalnych (wykorzystując transformatę Fouriera można je przedstawić w postaci sumy przebiegów harmonicznych). 3. Wykaz sprzętu pomiarowego 1. Multimetr cyfrowy Metex ME Multimetr cyfrowy Agilent 34401A 3. Analogowy miernik uniwersalny CA Miernik cęgowy Center Zasilacz regulowany BS Generator Agilent 33120A 7. Dzielnik napięcia DNA Rezystor dekadowy R max = 100 kω 9. Płytka z zespołem 5 rezystorów badanych 10. Układ laboratoryjny do pomiaru mocy i energii 11. Przewód BNC-BNC 12. Zaciski widełkowe 2 szt. 4. Zadania 4.1. Zapoznanie się z miernikami elektrycznymi Zapoznać się z opisem przełącznika zakresów i wielkości mierzonych oraz podziałkami miernika uniwersalnego CA 5003 (zwrócić uwagę na różne rozmieszczenie działek skali dla napięć stałych i zmiennych), a także z płytą czołową multimetru cyfrowego Metex ME-21 i płytą czołową multimetru cyfrowego Agilent (dokładny opis multimetru Agilent jest podany w ćw. 4) Wzorcowanie woltomierza Połączyć układ pomiarowy wg rys. 13. CA5003 V/Ω Input V/Ω HI Zasilacz BS525 2V DNA18 V b V w Agilent 34401A COM LO Rys. 13. Schemat układu wzorcowania woltomierza W układzie tym woltomierzem badanym jest uniwersalny miernik magnetoelektryczny CA 5003 na zakresie 1 V (zwrócić uwagę na odczyt z odpowiedniej skali), a woltomierzem wzorcowym multimetr cyfrowy Agilent 34401A. Zmieniając napięcie dzielnikiem wzorcować woltomierz badany ustawiając jego wskazania U b na wartości 7

8 podane w tablicy 1 i odczytywać wartości napięć U w z multimetru Agilent 34401A. Multimetr Agilent 34401A po włączeniu zasilania ustawia się domyślnie na pomiar napięcia stałego i automatyczną zmianę zakresu Zmiana zakresu pomiarowego woltomierza Tablica 1 U b V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U w V ε mv δ % Rozszerzyć zakres pomiarowy woltomierza badanego z 1 V do 4 V. Znając wartość rezystancji wewnętrznej woltomierza badanego R v = Ω i korzystając z zależności (10) obliczyć wartość posobnika R p. R p =... CA 5003 V/Ω Input V/Ω HI Zasilacz BS525 5V DNA18 COMV b V w Agilent 34401A LO Rys. 15. Schemat układu rozszerzania zakresu pomiarowego woltomierza Połączyć układ pomiarowy wg rys. 15. Obliczoną wartość posobnika ustawić na rezystorze dekadowym. Wybrać pomiar napięcia w multimetrze Agilent 34401A naciskając klawisz DCV (wyświetlacz powinien pokazywać jednostki mvdc). Przeprowadzić wzorcowanie woltomierza o rozszerzonym zakresie, notując wyniki w tablicy 2. R d Tablica 2 U b V 0,8 1,6 2,4 3,2 4 U w V ε mv δ % 4.4. Pomiary prądu stałego amperomierzem cęgowym Połączyć układ pomiarowy wg rys. 16. Ustawić R d na wartość 50 Ω i minimalne napięcie zasilacza. Wybrać pomiar prądu w multimetrze Agilent 34401A naciskając klawisz SHIFT a następnie DC I. Wybrać w mierniku cęgowym Center 223 zakres prądu stałego A a następnie nacisnąć przycisk ZERO, aby skompensować pozostałość magnetyczną szczęk. Otworzyć szczęki, naciskając dużą żółtą dźwignię, a następnie zamknąć na przewodzie z mierzonym prądem. Zmieniając napięcie zasilacza doprowadzić wskazania miernika cęgowego I b do wartości podanych w tablicy 3 odczytując jednocześnie wskazania prądu wzorcowego I w z multimetru Agilent 34401A. Zasilacz BS525 R d 50 Ω Agilent 34401A I ma LO Rys. 16. Schemat układu wzorcowania amperomierza cęgowego dla prądu stałego Tablica 3 I b ma I w ma ε ma δ % 8

9 4.5. Pomiar rezystancji multimetrem cyfrowym Na zakresie 20 kω multimetru ME-21 zmierzyć i zanotować w tablicy 4 wartości pięciu rezystorów zmontowanych na płytce. Mierzony rezystor dołączyć do zacisku COM i V/Ω. Nie dołączać zewnętrznego napięcia z zasilacza! Tablica Pomiar mocy Nr rezystora R i [kω] Generator 33120A OUTPUT f=50hz HI Agilent 34401A ACV LO V ma +9V V 100Ω AD7755 f wy f Zasilacz BS525 V/Ω COM ME-21 FREQ Rys. 17. Schemat układu do pomiaru mocy Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 17. Wybrać pomiar napięcia zmiennego w multimetrze Agilent 34401A naciskając klawisz ACV (wyświetlacz powinien pokazywać jednostki mvac). Ustawić na generatorze Agilent 33120A przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz. Częstotliwość ustawić obrotowym pokrętłem z prawej strony przyrządu, po uprzednim wybraniu funkcji Freq. Wybrać funkcję Ampl i zmieniając przy pomocy tego samego pokrętła napięcie generatora zmieniać moc wydzielaną w rezystorze R L =100 Ω odczytując napięcie na rezystorze z multimetru Agilent 34401A (wyświetlacz generatora pokazuje prawidłowo napięcie dla obciążenia 50 Ω, odczyt napięcia z multimetru eliminuje konieczność dodatkowych przeliczeń). Zbadać zależność między mocą wydzielaną na rezystorze R L =100 Ω, a częstotliwością f wy układu. Badanie przeprowadzić dla napięć na rezystorze zgodnych z tablicą 5. Napięcia odczytywać z multimetru. W sprawozdaniu moc obliczyć na podstawie napięcia i znanej wartości rezystora R L =100 Ω zgodnie z zależnością 2 U P =. 6) R L Tablica 5 U [V] 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 f [Hz] P [mw] k [mw/khz] Po zakończeniu pomiarów wyłączyć zasilacz i generator i pozostawić zmontowany układ pomiarowy, który będzie wykorzystany w pomiarach energii z użyciem komputera Zastosowanie multimetru cyfrowego w trybie współpracy z komputerem Włączyć komputer. Na ekranie pojawi się plansza tytułowa: Ćwiczenie nr 1 - Podstawowe mierniki i pomiary elektryczne. Następnie należy nacisnąć klawisz Enter, co spowoduje pojawienie się planszy z rubrykami na dane personalne, które należy wypełnić Pomiar energii elektrycznej W zadaniu tym jest mierzona energia zużyta przez żarówkę w określonym czasie. Komputer, poprzez port drukarki LPT, zlicza impulsy z układu AD7755 w czasie zadeklarowanym przez użytkownika i oblicza na bieżąco ilość zużytej przez żarówkę energii elektrycznej. Jednocześnie w celu porównania jest mierzona wartość prądu i napięcia na żarówce. Zmodyfikować układ do pomiaru energii zgodnie z rys. 18. W multimetrze ME-21 wybrać zakres 200 ma AC pamiętając o dołączeniu przewodów multimetru do zacisków COM i A. przy pomocy przełącznika wybrać 9 ~

10 pomiary zmiennoprądowe (na wyświetlaczu powinien być symbol AC). Wybrać pomiar napięcia zmiennego w multimetrze Agilent 34401A naciskając klawisz AC V (wyświetlacz powinien pokazywać jednostki mvac). Wybrać kursorem zadanie i postępować zgodnie ze wskazówkami na ekranie. Ustalić czas pomiaru z zakresu s. Regulując napięcie z generatora doprowadzić napięcie na żarówce do wartości 2 V. Powtórzyć pomiar dla napięcia 4 V. Generator 33120A OUTPUT f=50hz A Metex ME21 200mA A AC COM HI Agilent 34401A ACV V LO ma V AD Ω +9V f wy Zasilacz BS525 Komputer PC LPT Rys. 18. Schemat układu pomiaru energii Pomiar rezystorów z automatyczną obróbką statystyczną wyników Wybrać kursorem zadanie i postępować zgodnie ze wskazówkami menu Wzorcowanie zasilacza regulowanego z automatyczną obróbką statystyczną i graficzną danych (zadanie dodatkowe) Kursorem wybrać zadanie i postępować zgodnie ze wskazaniami menu. UWAGA! Czarno-biaіy ekran monitora oznacza zapisywanie obrazu z ekranu na dysk i jest to zachowanie prawidіowe. Po wykonaniu zadań z komputerem wybrać przycisk Koniec i wydrukować sprawozdanie a następnie wyłączyć komputer. 5. Opracowanie 1. Uzupełnić tabele obliczonymi wartościami. Podać przykłady ilustrujące sposób dokonywania tych obliczeń. 2. Wykreślić krzywe wzorcowania badanych woltomierzy i amperomierza oraz wykresy błędów względnych i zwięźle je zinterpretować. Jak wpłynęło na dokładność woltomierza rozszerzenie zakresu? 3. Wyznaczyć zgodnie z zależnością (9) klasę woltomierza dla zakresu 1 V oraz po rozszerzeniu zakresu do 4 V. Wiedząc, że woltomierz badany ma fabrycznie określoną klasę 1.5, sprawdzić czy klasa ta została zachowana. 4. Na podstawie pomiarów rezystancji wykonanych w zadaniu 4.5 i zanotowanych w tablicy 4 obliczyć wartość średnią, odchylenie standardowe pojedynczego pomiaru i odchylenie standardowe wartości średniej ilustrujące własności statystyczne populacji, z której pochodzi próbka 5 rezystorów. Podać wzory i wszystkie pośrednie fazy obliczeń. Porównać uzyskane wyniki z obliczeniami komputera uwidocznionymi na wydruku. 5. Uzupełnić tablicę 5 obliczając moc pobieraną przez obciążenie i współczynnik przetwarzania k=p/f układu do pomiaru mocy. Wykreślić charakterystykę częstotliwości wyjściowej układu f wy =f(p). Czy charakterystyka ta jest liniowa? 6. Obliczyć energię zużytą przez żarówkę w układzie laboratoryjnym na podstawie wartości napięcia, prądu i czasu. Uzyskane wyniki porównaj z otrzymanymi z komputera. 10