Ćw Pomiary mostkiem Thomsona

Transkrypt

1 Ćw. 3-. Pomiay mostkiem Thomsoa Cel ćwiczeia: Pozaie techiki omiaów małych ezystacji za omocą mostka Thomsoa.. Wiadomości odstawowe W omiaach małych ezystacji (umowie zyjmuje się - miejszych od Ω), iezależie jaką metodą wykoywaych, ależy ogaiczyć wływ zewodów łączeiowych a wyik omiau. Wyika to z faktu ich oówywalych ezystacji z ezystacjami miezoych ooików, a co za tym idzie, możliwością wystąieia dużych błędów metody, czyiących omia iewiaygodym. Stąd zyządy i układy omiaowe zezaczoe do omiaów małych ezystacji ealizują je tzw. metodą czteozewodową (ag. 4-wie method). ezystację elektyczą defiiuje awo Ohma - =U/I, z któego wyika zasada omiau małych ezystacji: zy zeływie zez ooik ądu stałego I ależy okeślić óżicę otecjałów U, wystęującą omiędzy ściśle okeśloymi uktami (zekojami) omiaowymi. Postulat te jest sełioy w ooikach czteokońcówkowych (czteozaciskowych) - mających zaciski ądowe i zaciski aięciowe (ys. ). Pzewody doowadzające ąd do zacisków ądowych zwae są zewodami ądowymi, zaś odowadzające óżicę otecjałów z zacisków aięciowych zewodami aięciowymi. zaciski ądowe I U zaciski aięciowe ys.. Ooik czteozaciskowy Cztey zaciski mają wszystkie ooiki wzocowe, dzięki temu ich ezystacja może być odtwazaa z dużą dokładością. Natomiast miezoe elemety ezystacyje mają często tylko dwa doowadzeia, stąd zed ich omiaem ależy wykoać ozostałe dwa doowadzeia.

2 I x WZ ys.. Układ omiaowy z laboatoyjym mostkiem Thomsoa; - zewód łączący ooiki x i. Jeżeli = i = =, to x = Mostek Thomsoa zezaczoy jest do omiaów małych ezystacji (ys. ). Jest modyfikacją układu mostka Wheatstoe a, w któym uiezależioo wyik omiau od ezystacji zewodu łączącego oówywae ooiki - miezoego x z wzocowym - zwykle mających ezystacje oówywale z ezystacją. W tym celu zastosowao dwa dodatkowe ezystoy astawe - i, szężoe mechaiczie z ezysto- ami i. Watości i P oaz i są aami ówe. Jeżeli zy tym sełioy jest wauek, >>, x,, to też wływ ozostałych zewodów łączących a dokładość omiau jest do omiięcia. Właściwość mostka, olegająca a elimiacji z ówaia omiau ezystacji, wyika z jego ówaie ówowagi: x = + ( ) = + d + + ówaie ma składik d zależy od. Jeżeli jedak jest sełioy wauek: = 0, to wtedy d=0. W zyadku, gdy =, to ówaie omiau zyjmuje ostą ostać: x = P P i = =

3 ozóżia się mostki Thomsoa laboatoyje i techicze. Układ mostka laboatoyjego ma ajczęściej stuktuę zedstawioą a ys.. ( w obamowaiu liią zeywaą). Składa się z dwóch szężoych ooików dekadowych i P oaz zmieiaych skokowo dwóch zesołów ooików i. Zasilacz, wskaźik zea i ooik wzocowy są oddzielymi elemetami układu, twozącymi obwód zewętzym mostka i dobieaymi w zależości od żądaych wauków omiau. Mostki laboatoyje umożliwiają wykoaie omiaów małych ezystacji z dokładością leszą od 0, i z ozdzielczością 0,µΩ. Wykoaia techiczych mostków Thomsoa zwykle mają wewętzy wskaźik zea i zasilaie bateyje lub sieciowe. Szężoe ooiki i oaz i astawiae są skokowo, zaś ooik jest ooikiem suwakowym szężoym mechaiczie z taczą omiaową. Pzezaczoe są do omiaów miej dokładych. WZ x I ys. 3. Układ mostka techiczego = = W mostku: i, ówaie omiau x = = k, 3 = 0, 5 6 Ω, k = 0 ;0 ;0 ; ( ( ) ).. Pojęcia odstawowe Pomia metodą zeową olega a wykoaiu czyości ówoważących układ omiaowy, w kosekwecji któych, w obwodzie omiaowym ze wskaźikiem zea uzyskuje się zaik sygału omiaowego (aięciowego lub ądowego). Watość wielkości miezoej wyika z odczytów astaw azędzi omiaowych bioących udział w ocesie ówoważeia układu. W układach do dokładych omiaów ówoważeie zeowadza się za omocą wzoców wielomiaowych,. ooików wielodekadowych w układach ądu stałego. Układy omiaowe działające wg metody zeowej ozwalają dokładie miezyć większość wielkości elektyczych - z dokładością odowiadającą dokładości użytych wzoców. W oli wskaźika zea w zeszłości stosowao secjale wykoaia badzo czułych mieików ądu 3

4 stałego, tadycyjie azywaych galwaometami. Wsółcześie ich olę z owodzeiem sełiają uiwesale mieiki ądu i aięcia, aalogowe bądź cyfowe. Z omiaem metodą zeową związay jest błąd metody, zw. błędem ieczułości układu omiaowego. Podobie jak zmysły człowieka mają ogaiczoą sostzegawczość, tak też i wskaźiki zea mają ogaiczoą zdolość ozóżieia małych sygałów omiaowych, a w kosekwecji tego, ie jest możliwe osiągięcie ełego stau ówowagi układu. W dobze zestawioym układzie omiaowym błąd ieczułości ie owiie zyjmować domiujących watości, ajleiej - gdy jest omijalie mały względem błędów aaatuowych. Czułość w ujęciu techiczym jest cechą azędzi omiaowych i iych uządzeń (. zetwoików, czujików, zekaźików, wzmaciaczy), służącą do okeśleia zdolość ich eagowaia a odowiedie bodźce fizycze (wielkości fizycze). Powszechą miaą czułości jest stosuek zmia sygału wyjściowego Y, wywołaych zmiaami sygału wejściowego, czyli S= Y/. N. czułość mieików aalogowych jest okeśloa odwotością ich stałej (ądowej lub aięciowej) S=/c [dz/a; dz/v]. Czułość mostka ądu stałego jest okeśloa iloazem zmia wskazań wskaźika zea, do zmia ezystacji ooika ówoważącego mostek. Czułość mostka wyzacza się w staie bliskim ówowagi. Jeżeli stosoway jest aalogowy wskaźik zea (galwaomet), to czułość okeśla iloaz α S = [dz/ω] w któym: zmiaa watości ezystacji ezystoa sowadzającego mostek do stau ówowagi; α - zmiaa odchyleia wskaźika wywołaa zmiaami. Jeżeli w oli wskaźika stosuje się mieiki aięcia lub ądu, to czułość wyaża się w mv/ω lub ma/ω. Pomia czułości mostka olega a takim odstojeiu mostka od stau ówowagi, aby uzyskać zaczące odchyleie wskaźika zea. Jeżeli wskaźikiem zea jest galwaomet, to odchyleie jego wskazówki owio wyosić kilka lub kilkaaście działek odziałki. Zmiezoa watość czułości układu ozwala wyzaczyć błąd ieczułości, wykozystując do tego stosowe zależości. Pobudliwość azędzia omiaowego - właściwość chaakteyzująca zdolość azędzia omiaowego do eagowaia a małe zmiay wielkości miezoej. Miaą obudliwości jest óg obudliwości azędzia omiaowego. Póg obudliwość mostka ajmiejsza zmiaa ezystacji ooika ówoważącego mostek wywołująca zauważalą eakcję wskaźika zea. Dla mostków ze wskaźikami aalogowymi za ajmiejszą zauważalą eakcję zyjmuje się odchyleie wskazówki od ołożeia zeowego o część działki elemetaej odziałki (0, 0,5 dz). W zyadku stosowaia wskaźika zea w ostaci zyządu cyfowego, óg obudliwość wyika z jego ozdzielczości odczytu, czyli ajmiejszej, zauważalej a olu odczytowym, zmiay watości miezoej wielkości. Iaczej mówiąc, zez ozdzielczość odczytu ozumiemy watość jedostki miay wskazywaej zez ostati wskaźik ola odczytowego. N. odczyt z woltomieza cyfowego 5,95mV ma ozdzielczość 0,0mV. 4

5 Pomia ogu obudliwości mostka wykouje się w staie jego ówowagi i olega a wyzaczeiu zmiay ezystacji ooika ówoważącego mostek, wywołującej miimalą, zauważalą eakcję wskaźika zea. Najczęściej jest wykoyway dla wskaźików cyfowych, gdyż łatwo dla ich zaobsewować iewielkie zmiay wskazań. Wyikiem atualej właściwości zyządów cyfowych, olegającej a możliwości migotaia o jedostkę wskazań ostatiego wskaźika, óg obudliwości układu owiie odowiadać - lub 3-kotej watości ozdzielczości odczytu. W zyadku wystąieia ieożądaych sygałów zakłócających oces ówoważeia, omia ogu obudliwości owiie uwzględiać ich watość. Wyzaczoa watość zmia ezystacji, o odiesieiu jej do watości wystęującej w staie ówowagi, okeśla błąd ieczułości mostka. Błędy w omiaach mostkiem Thomsoa Błędy aaatuowe wyikają z dokładości stosowaych w układzie omiaowym azędzi omiaowych: mostka i ooika wzocowego. Jeżeli ich dokładości zedstawioe są klasami, to okeślają oe gaicze błędy dla omiaów wykoywaych w waukach odiesieia. Wauki odiesieia wyikają ze stosowych om i dotyczą. zakesu temeatu otoczeia, zakesów aięć zasilających mostek i douszczalych ądów. wzocowych. W omiaach wykoywaych w waukach odbiegających od wauków odiesieia wystęują błędy dodatkowe. Błąd ieczułości mostka główie wyika z ogaiczoej czułości wskaźika zea. O jego watości decyduje też aięcie zasilające mostek i ezystacje ooików twozących mostek. Ogaiczeie czułości mostka może tez wystąić w wyiku wływu a układ omiaowy óżych, ieożądaych oddziaływań zewętzych, w wyiku któych astęuje zwiększeie ogu obudliwości. Źódłami sygałów zakłócających oces ówoważeia mogą być: sieć oświetleiowa, odbioiki dużej mocy, takcja tamwajowa, wysokoaięciowe kable eegetycze. Poblem ogaiczeia sygałów zakłócających wystęuje szczególie w badzo dokładych omiaach i jest ozwiązyway a dodze stosowaia filtów, ekaów i uziemień. Błędy ieczułości ajczęściej wyzacza się doświadczalie, a odstawie omiaów ieczułości układu omiaowego bądź ogu obudliwości układu - wykoywaych waz z omiaem ezystacji. 3. Wioski z omiaów W sawozdaiu oówać wyiki omiaów ezystacji uzyskae dwoma mostkami, w tym oceić: - błędy ieczułości mostków i ich zależość od watości miezoych ezystacji - dokładości omiaów - zgodość wyików omiaów ezystacji oszczególych ooików, uzyskaych w omiaach dwoma mostkami; zmiezoe watości ezystacji ooika ie owiy óżić się więcej, iż wyika to z ieewości wykoaych omiaów! Istukcję oacował: K.N. 5

6 4. Tablice omiaowe Tab.. Pomiay ezystacji zeośym mostkiem Thomsoa tyu...,.... BADANIE CZUŁOŚCI MOSTKA odzaj miezoego x α wz S M = α wz / δ ezystoa dz dz/ δ m WYNIK POMIAU x ± U( x ) U ( x ) zmiaa astawy taczy omiaowej od stau ówowagi mostka, wywołująca odchylaie wskazówki wskaźika zea o działek. α mi δ iecz = 00 - błąd ieczułości mostka. α mi - dokładość ustaleia wskazaia zeowego wskaźika zea; dla wskaźików aalogowych zwykle zyjmuje się: α mi = 0, dz. Obliczaie ieewości omiau: u SM ( ) = δ m + δ - ieewość stadadowa mostka; 3 U ( ) = k u ( ) - ieewość ozszezoa (k= 3 ). Tab.. Pomiay ezystacji laboatoyjym mostkiem Thomsoa tyu..., dokładość mostka... odzaj WYNIK POMIAU miezoego I = = x δ x ± U( x ) U ( x ) ezystoa Ω A Ω Ω I - ąd omiaowy; - ezystacja ezystoa wzocowego; x = ( /) ówaie omiau mostka; óg obudliwości układu omiaowego; δ = 00 - błąd ieczułości układu. Nieewości omiau: u ( ) = δ m + δ + δ - ieewość stadadowa 3 łącza; U ( ) k u ( ) = - ieewość ozszezoa (k= dla =0,95). 6