Ćwiczenie 9. Mostki prądu stałego. Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Program ćwiczenia:

Transkrypt

1 Ćwiczenie 9 Mostki prądu stałego Program ćwiczenia: 1. Pomiar rezystancji laboratoryjnym mostkiem Wheatsone'a 2. Pomiar rezystancji technicznym mostkiem Wheatsone'a. Pomiar rezystancji technicznym mostkiem Thomsona 4. Mostek niezrównoważony Wykaz przyrządów: multimetr RIGOL DM 051 Oscyloskop RIGOL DS 1052E Zasilacz/Generator uniwersalny Panel montażowy mostka Wskaźnik równowagi mostka Techniczny mostek Wheatstone a TMW 5 Techniczny mostek Thomsona TMT 5 Rezystor dekadowy 10x10000 Ω kl Dwa rezystory wzorcowe 1000 Ω Dwa rezystory wzorcowe Ω Zestawy rezystorów badanych R1 R6, R1 i R2 Literatura: [1] Zatorski A., Rozkrut A. Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Wyd. AGH, Skrypty nr SU 1190, 14, 140, 1585, Kraków, 1990, 1992, 1994, 1999 [2] Zatorski A. Podstawy Metrologii i techniki eksperymentu. Wyd. AGH, Skrypt SU 1685, Kraków, 2006 [] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1979, 1991, 1994, 2009 [4] Marcyniuk A., Pasecki E. Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej. WNT, Warszawa [5] Kowalczyk A.: Miernictwo elektryczne wielkości nieelektrycznych materiały pomocnicze do wykładu. OW PRz, Rzeszów Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [6] Instrukcja obsługi: RIGOL, Multimetry cyfrowe serii DM000 > dydaktyka > Materiały dla studentów Strony www: > Technical Support Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: budowa i zasada działania laboratoryjnych i technicznych mostków Wheatsone'a i Thomsona warunki równowagi mostków prądu stałego zrównoważone mostki prądu stałego pomiar rezystancji

2 błędy przy pomiarach rezystancji mostkiem Wheatsone'a niezrównoważony mostek Wheatstone'a

3 1. Pomiar rezystancji laboratoryjnym mostkiem Wheatsone'a Połączyć, według poniższych rysunków, laboratoryjny mostek Wheatsone'a, wykorzystując następujące elementy: panel montażowy mostka wskaźnik równowagi mostka zasilacz uniwersalny R X nieznana rezystancja mierzona R rezystor dekadowy 10x10 kω R 2, R 4 rezystory wzorcowe 1000 Ω lub Ω zgodnie z tabelą 1 Rysunek 1. Schemat elektryczny mostka prądu stałego Rysunek 2. Schemat połączeń elementów przy pomiarze rezystancji laboratoryjnym mostkiem Wheatsone'a

4 Wykonanie pomiarów: 1) dobrać wartości rezystorów wzorcowych R 2 oraz R 4 w zależności od numeru mierzonego rezystora Rx zgodnie z poniższą tabelą Rx R1 R2 R R4 R5 R6 R 2 /R / / / / / /1000 2) ustawić przełącznik zmiany kierunku przepływu prądu w panelu montażowym mostka w górne położenie (po załączeniu zasilania świeci górna dioda) ) za pomocą śruby regulacyjnej, ustawić wskazówkę wskaźnika równowagi mostka w położeniu 0 (ustawienie zera mechanicznego), 4) ustawić pokrętło czułości wskaźnika równowagi mostka na minimum (lewe skrajne położenie) 5) załączyć zasilanie wskaźnika równowagi 6) załączyć napięcie zasilania mostka 6 V 7) za pomocą rezystora dekadowego R zrównoważyć mostek w następujący sposób: ustawić pokrętło czułości wskaźnika równowagi mostka tak by wskazówka wychyliła się nie więcej niż 1/2 podziałki za pomocą pokrętła dekady R o największej wartości nominalnej (pierwsze z lewej) sprowadzić wychylenie wskazówki we wskaźniku równowagi w pobliże zera ponownie za pomocą pokrętła czułości mostka ustawić taką czułość by wskazówka wychyliła się nie więcej niż 1/2 podziałki następnie kolejną pozycją dekady R (druga od lewej) regulować w taki sposób by wychylenie wskazówki we wskaźniku równowagi sprowadzić w pobliże zera czynności te powtarzamy cyklicznie do momentu całkowitego zrównoważenia mostka przy maksymalnej czułości wskaźnika równowagi mostka (prawe skrajne położenie), przestrzegając zasady, że w miarę zwiększania czułości wskaźnika równowagi posługujemy się pokrętłami dekady o coraz mniejszych wartościach 8) wartość nastawy zapisać w tabeli 1 w pozycji R 9) przełącznikiem zmiany kierunku przepływu prądu na panelu montażowym mostka zmienić kierunek przepływu prądu 10) za pomocą rezystora dekadowego R ponownie zrównoważyć mostek wartość nastawy zapisać w tabeli 1 w pozycji R 11) w stanie równowagi mostka pokrętłem dekady R o najmniejszej wartości nominalnej (pierwsze z prawej) zmieniać wartość rezystora R do momentu uzyskania zauważalnego wychylenia wskazówki wskaźnika równowagi. Różnicę nastaw zapisać jako Δ R. Pomiary należy wykonać dla dwóch wskazanych przez prowadzącego rezystorów a wyniki zestawić w tabeli. Wyznaczyć wartość R jako średnią arytmetyczną R i R R = R + 2 R Wyznaczyć wartość nieznanej rezystancji według zależności:

5 R x = R R 2 R4 Wyznaczyć względny błąd nieczułości mostka według zależności: δ N ΔR = R 100 gdzie: Δ R najmniejsza zmiana nastawy rezystora dekadowego R powodująca zauważalne wychylenie wskazówki wskaźnika równowagi Wyznaczyć względny błąd rozdzielczości rezystora nastawnego R : δ ΔrR = R r gdzie: 100 Δ rr wartość pojedynczego stopnia dekady o najmniejszej wartości nominalnej Obliczyć względny błąd graniczny pomiaru nieznanej rezystancji według zależności: δ R = δr + δr + δr + δ + δ x 2 4 N r gdzie: δ R,, δ R klasy odpowiednich rezystorów wzorcowych δ R 2 4 Obliczyć bezwzględny błąd graniczny pomiaru nieznanej rezystancji według zależności: ΔR x δrx R = 100 x [ ] Zapisać wynik pomiaru w postaci: R _ = [ ] ± [ ]

6 2. Pomiar rezystancji technicznym mostkiem Wheatsone'a W ćwiczeniu wykorzystywany jest techniczny mostek Wheatsone'a o firmowym oznaczeniu TMW 5, którego dane techniczne oraz schemat połączeń wewnętrznych są zawarte w instrukcji obsługi. Na rysunku przedstawiono płytę czołową mostka oraz schemat połączeń zewnętrznych. Rysunek. Układ połączeń zewnętrznych przy pomiarze rezystancji technicznym mostkiem Wheatsone'a Wykonanie pomiarów: 1) za pomocą śruby regulacyjnej, ustawić wskazówkę wskaźnika równowagi w położeniu 0 (ustawienie zera mechanicznego), 2) podłączyć mierzony rezystor do zacisków pomiarowych mostka, ) podłączyć sieciowy przewód zasilający mostek, 4) przełącznik P1 ustawić na zakres, w którym mieści się spodziewana wartość mierzonej rezystancji, 5) wcisnąć przycisk ~220 V, 6) nacisnąć przycisk G (załączenie wskaźnika równowagi), a następnie kręcić gałką potencjometru P2 do chwili zrównoważenia mostka (zerowe wychylenie wskazówki wskaźnika równowagi), 7) odczytać z tarczy potencjometru wartość zmierzonej rezystancji oraz zakres (minimalna i maksymalna wartość jaką można zmierzyć), na którym został wykonany pomiar, 8) wyłączyć zasilanie mostka, 9) z tylnej płyty mostka, dla ustawionego zakresu pomiarowego, odczytać wartość względnego Δ. błędu granicznego pomiaru i na tej podstawie obliczyć graniczny błąd bezwzględny [ ] Pomiary należy wykonać dla dwóch wskazanych przez prowadzącego rezystorów, a wyniki zestawić w tabeli 2. R x Zapisać wynik pomiaru w postaci: R _ = [ ] ± [ ]

7 . Pomiar rezystancji technicznym mostkiem Thomsona Do pomiaru rezystancji o wartościach mniejszych od 1Ω przeznaczony jest sześcioramienny mostek Thomsona, który stanowi modyfikację mostka czteroramiennego [1]. Przykładem realizacji takiego układu jest techniczny mostek Thomsona o firmowym oznaczeniu TMT 5, którego dane techniczne oraz schemat połączeń wewnętrznych są zawarte w instrukcji obsługi. Struktura mostka Thomsona wymaga czteroprzewodowego podłączenia badanego rezystora. Dzięki temu w układzie tym możliwa jest eliminacja wpływu rezystancji styków badanego rezystora oraz przewodów łączeniowych na wynik pomiaru. Na rysunku 4 przedstawiono płytę czołową mostka oraz schemat połączeń zewnętrznych. Rysunek 4. Układ połączeń zewnętrznych przy pomiarze rezystancji technicznym mostkiem Thomsona Wykonanie pomiarów: 1) za pomocą śruby regulacyjnej, ustawić wskazówkę wskaźnika równowagi w położeniu 0 (ustawienie zera mechanicznego), 2) podłączyć mierzony rezystor do zacisków pomiarowych mostka (prawidłowe połączenie patrz rys.4), ) podłączyć sieciowy przewód zasilający mostek, 4) przełącznik P1 ustawić na zakres, w którym mieści się spodziewana wartość mierzonej rezystancji, 5) wcisnąć przycisk ~220 V, 6) nacisnąć przycisk G (załączenie wskaźnika równowagi), a następnie kręcić gałką potencjometru P2 do chwili zrównoważenia mostka (zerowe wychylenie wskazówki wskaźnika równowagi), 7) odczytać z tarczy potencjometru wartość zmierzonej rezystancji oraz zakres (minimalna i maksymalna wartość jaką można zmierzyć), na którym został wykonany pomiar, 8) wyłączyć zasilanie mostka, 9) z tylnej płyty mostka, dla ustawionego zakresu pomiarowego, odczytać wartość błędu granicznego pomiaru (w zależności od zakresu względnego lub bezwzględnego) i na tej Δ lub względny δ [ ]. podstawie obliczyć odpowiednio błąd bezwzględny [ ] Pomiary należy wykonać dla dwóch wskazanych przez prowadzącego rezystorów, a wyniki zestawić w tabeli. Zapisać wynik pomiaru w postaci: R _ = [ ] ± [ ] R x R x

8 4.MostekniezrównoważonyWheatstone'a Mostki niezrównoważone współpracujące z czujnikami rezystancyjnymi są powszechnie stosowane w pomiarach wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, jako przetworniki sygnału czujników na napięcie. Jako czujnik rezystancyjny w tym punkcie ćwiczenia zostanie wykorzystany rezystancyjnyzadajnikkąta. Rysunek5.SchematpołączeńelementówprzybadaniumostkaniezrównoważonegoWheatsone'a Rysunek6.Schematpołączeńelementówprzypomiarzecharakterystykimostkaniezrównoważonego Wheatsone'a

9 Wykonanie pomiarów: 1) połączyć układ jak na rysunku 5 2) ustawić pokrętło zadajnika kąta w pozycji "0" (środek podziałki) ) ustawić pokrętło czułości wskaźnika równowagi mostka na minimum (lewe skrajne położenie) 4) załączyć napięcie zasilania mostka 6 V 5) załączyć zasilanie wskaźnika równowagi 6) za pomocą rezystora dekadowego R zrównoważyć mostek (jak w pkt.1) 7) ustawić czułość wskaźnika na minimum i wyłączyć jego zasilanie a następnie odpiąć od modelu mostka 8) w miejsce wskaźnika równowagi podłączyć multimetr (rysunek 5) 9) zmieniając wartość kąta za pomocą pokrętła w "Zadajniku kąta" zmierzyć charakterystykę U N =f(kąt) a wyniki umieścić w tabeli Narysować zmierzoną charakterystykę a następnie wyznaczyć błąd nieliniowościδ n zgodnie z poniższą definicją ΔU δ n = U max N max 100 [%]