PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII. Instrukcja do wykonania ćwiczenia laboratoryjnego:

Transkrypt

1 PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII Instrukcja do wykonania ćwiczenia laboratoryjnego: "Pomiary rezystancji metody techniczne i mostkowe" Tarnów 03

2 Program ćwiczenia:. Pomiary rezystancji omomierzem cyfrowym.. Pomiar rezystancji metodą porównawczą. a) pomiar rezystancji w układzie z pomiarem napięcia, b) pomiar rezystancji w układzie z pomiarem prądu. 3. Pomiary dużych rezystancji megaomomierzem induktorowym. 4. Pomiar rezystancji mostkami technicznymi: a) MostekWheatstone a b) Mostek Thomsona 5. Wyznaczenie rezystywności drutu oporowego. 6. Pomiar rezystancji wewnętrznej źródła napięcia stałego (akumulator). 7 Wyznaczenie charakterystyki f U R elementu nieliniowego (żarówka). Zakres wymaganych wiadomości. Schematy układów pomiarowych rezystancji i zależności w nich obowiązujące.. Zasada działania przyrządów stosowanych w pomiarach rezystancji 3. Błędy pomiarów czynniki powodujące błędy, metodyka obliczania błędów, sposoby ich zmniejszania lub eliminacji. Literatura:. Zatorski A., Sroka R. : Podstawy metrologii elektrycznej,wydawnictwa AGH 0. Tumański S., Technika Pomiarowa; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. Warszawa, WNT 976, 000

3 Obiektami pomiarowymi są rezystory oznaczone literami A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, akumulator V, żarówka 6 V/50 ma.. Pomiary rezystancji omomierzem cyfrowym Pomiar przeprowadza się wybierając w multimetrze uniwersalnym M-3860D opcję pomiar rezystancji poprzez ustawienie pokrętłem na, następnie przyciskiem DC/AC wybrać pomiar rezystancji. Rezystory dołącza się do zacisków COM, V/. Przekroczenie zakresu pomiarowego sygnalizowane jest przez migotanie linijki analogowej i wyświetlanie wskaźnika OL. Rezystancja przewodów pomiarowych zmniejsza dokładność pomiarów na zakresie 400. Dla standardowych przewodów błąd wynosi od 0. do. Aby określić wartość ww. błędu, należy zmierzyć rezystancję przy zwartych końcówkach pomiarowych. Rezystancję przewodów należy odjąć od wartości zmierzonej i tak otrzymaną wartość traktujemy jako wynik pomiaru. Wartość błędu obliczamy na podstawie instrukcji technicznej multimetru wg zależności: R x (0.5% wartości mierzonej d) (.) d wartość rezystancji odpowiadająca najmniej znaczącej cyfrze na danym zakresie pomiarowym. Wyniki pomiarów zastawić w tabeli. Tabela. Lp. Oznaczenie Omomierz cyfrowy rezystora R x [] R x [] A B C D E F G H I J K 3

4 . Pomiar rezystancji metodą porównawczą a) pomiar rezystancji w układzie z pomiarem napięcia Rys... Schemat układu do pomiaru rezystancji metodą porównania napięć. P- przełącznik, E = 5 V (DF73SB3A), V multimetr M-3860D, Rw - rezystor dekadowy 0, x 0 k, klasa 0,05 Obiektami pomiarowymi są rezystory o rezystancji z przedziału kilkaset kilka k. W ćwiczeniu są to rezystory D, E i F. Wartość mierzonej rezystancji wyznacza się z zależności Rx U Rx Rw U R w (.) gdzie: R w - wartość nominalna rezystora wzorcowego, U Rx - wartość napięcia na rezystorze mierzonym, U - wartość napięcia na rezystorze wzorcowym. Rw Błąd pomiaru wyznacza się na podstawie prawa przenoszenia błędów dla zależności (.), znając klasę rezystora wzorcowego oraz błędy pomiaru obu napięć obliczone wg danych z instrukcji technicznej multimetru M-3860D. Błąd pomiaru napięcia multimetrem wyznacza się z zależności U (0,3% wartości mierzonej + d) (.) d wartość napięcia odpowiadająca najmniej znaczącej cyfrze na danym zakresie. Przed rozpoczęciem pomiarów w multimetrze należy ustawić przełącznik obrotowy na wybrany zakres napięciowy. Przyciskiem DC/AC wybrać napięcie stałe DC. Wpiąć czarny przewód pomiarowy do wejścia COM, a czerwony do wejścia V/. Rezystor 4

5 dekadowy ustawić na wartość 000. Wykorzystać przełącznik znajdujący się na pudełku pomiarowym. Wyniki zestawić w tabeli.. Lp. Oznaczenie rezystora U Rx [V] Tabela. U Rw [V] R x [ k ] R x [ k ] Rx 3 D E F b) pomiar rezystancji w układzie z pomiarem prądu. Rys... Schemat układu do pomiaru rezystancji metodą porównania prądów. E = 30 V(DF73SB3A), A multimetr M-3860D, P przełącznik, 0, x 0 k klasa 0,05 Rw - rezystor dekadowy Obiektami pomiarowymi są rezystory A, B. Wartość rezystancji wyznacza się z zależności Rx I Rw Rw I R x (.3) gdzie: Rw - wartość nominalna rezystora wzorcowego, I Rw I Rx - wartość prądu płynącego przez rezystor wzorcowy, - wartość prądu płynącego przez rezystor mierzony. 5

6 Błąd pomiaru wyznacza się na podstawie prawa przenoszenia błędów dla zależności (.3), znając klasę rezystora wzorcowego oraz błędy pomiaru obu napięć obliczone wg danych z instrukcji technicznej multimetru M-3860D. Błąd pomiaru napięcia multimetrem wyznacza się z zależności U (0,3% wartości mierzonej + d) (.4) d wartość napięcia odpowiadająca najmniej znaczącej cyfrze na danym zakresie. Przed rozpoczęciem pomiaru w multimetrze należy ustawić przełącznik obrotowy na ma. Przyciskiem DC/AC wybrać prąd stały. Przewody pomiarowe włożyć do wejścia COM, ma. Rezystor dekadowy ustawić na wartość 00 kω. Napięcie zasilania E = 30 V z zasilacza DF73SB3A. Wykorzystać przełącznik znajdujący się na pudełku pomiarowym. Wyniki zestawić w tabeli.. Lp. Oznaczenie rezystora I Rx [ma] Tabela. I Rw [ma] R x [ M ] R x [ M ] Rx A B 3. Pomiary dużych rezystancji megaomomierzem induktorowym. Obiektem pomiaru są rezystory A i B. Należy je dołączyć do zacisków +, megaomomierza. Obracając równomiernie korbą prądnicy w mierniku, należy uzyskać ustalone wychylenie wskazówki i odczytać w tym momencie wartość mierzonej rezystancji. Błąd pomiaru: R R m R [] (3.) p R R 00 (3.) Rp gdzie: Rm - wartość rezystancji zmierzona megaomomierzem, R p - wartość tej samej rezystancji zmierzona za pomocą metody porównawczej. 6

7 Przed przystąpieniem do pomiaru megaomomierzem należy włączyć odpowiednią wartość napięcia pomiarowego (500 V) i zakres naciskając na odpowiedni przycisk. Uwaga! Podczas pomiaru na zaciskach miernika może wystąpić napięcie około 500 V (napięcie niebezpieczne). Uzyskane wyniki przedstawić w tabeli 3.. Tabela 3. Lp. Oznaczenie rezystora R m [ M ] R p [ M ] R [ M ] R A B 4. Pomiar rezystancji mostkami technicznymi a) MostekWheatstone a Pomiary należy wykonać dla rezystancji D, E i F. Podczas wykonania pomiarów należy zachować następującą kolejność: - podłączyć źródło zasilania (kabel sieciowy) i wcisnąć przycisk oznaczony ~0V, - podłączyć mierzony rezystor do zacisków pomiarowych mostka wg rys. 4., - przełącznik P ustawić na zakres, w którym mieści się spodziewana wartość mierzonej rezystancji, - naciskając przycisk G, regulować gałką potencjometru R P do chwili zrównoważenia mostka (odchylenie galwanometru sprowadzić na kreskę zerową), - odczytać z tarczy potencjometru R P wartość mierzonej rezystancji. W przypadku, gdy regulacja gałką potencjometru R P nie pozwala zrównoważyć mostka, należy odpowiednio zmienić zakres pomiarowy przełącznikiem P. Wartość mierzonej rezystancji jest równa: R x am (4.) gdzie: a wartość odczytana na tarczy sprzężonej z pokrętłem, m aktualnie nastawiona wartość mnożnika. 7

8 Dopuszczalny błąd wyrażony w % wartości mierzonej na poszczególnych zakresach mostka jest umieszczony w tabeli 4.. Tabela 4. Lp. Zakres pomiarów Błąd dopuszczalny wyrażony w % wartości mierzonej przy zasilaniu napięciem: Stałym (zasilacz wewnętrzny lub zewnętrzny) Przemiennym Hz (zasilacz zewnętrzny) Zakres napięcia zewnętrznego stałego lub przemiennego o częstotliwości Hz mω 8- V Ω 0,5 8- V Ω` 0,5 8- V Ω 0,5 8- V kω 0, V kω 80-0 V kω 80-0 V Rys. 4. Wygląd płyty czołowej technicznego mostka Wheatstone a: ~0V gniazdo do podłączania przewodu sieciowego, Z gniazdo do podłączania zewnętrznego zasilacza prądu stałego, p~0v, Z przyciski wyboru źródła zasilania, G przycisk włączający galwanometr i zasilanie mostka, P przełącznik zakresu pomiarowego, 8

9 R p Z w pokrętło potencjometru, zwieracz obwodu galwanometru. Uzyskane wyniki przedstawić w tabeli 4.. Tabela 4. Lp. Oznaczenie Mnożnik Odczyt R x R x R x rezystora m a [ ] [ ] D E 3 F gdzie: δr x i ΔR x wyliczyć za pomocą danych z tabeli Mostek Thomsona Obiektami pomiaru są rezystory I, J i K. Podczas wykonania pomiarów należy zachować następującą kolejność: - podłączyć źródło zasilania (kabel sieciowy) i wcisnąć przycisk oznaczony ~0V - podłączyć mierzony rezystor do zacisków pomiarowych mostka wg rys. 4., - przełącznik P ustawić na zakres, w którym mieści się spodziewana wartość mierzonej rezystancji, - naciskając przycisk G regulować gałką potencjometru R p do chwili zrównoważenia mostka (odchylenie galwanometru sprowadzić na kreskę zerową), - odczytać z tarczy podziałkowej potencjometru R p wartość mierzonej rezystancji. W przypadku, gdy regulacja gałką potencjometru R p nie pozwala zrównoważyć mostka, należy odpowiednio zmienić zakres pomiarowy przełącznikiem P. Wartość mierzonej rezystancji wyznacza się zgodnie ze wzorem (4.). 9

10 Rys. 4. Wygląd płyty czołowej technicznego mostka Thomsona ~0V gniazdo do podłączania przewodu sieciowego, Z gniazdo do podłączania zewnętrznego zasilacza prądu stałego, p~0v, Z przyciski wyboru źródła zasilania, G przycisk włączający galwanometr i zasilanie mostka, P przełącznik zakresu pomiarowego, R p pokrętło potencjometru. Dopuszczalny błąd wyrażony w % wartości mierzonej na poszczególnych zakresach mostka jest umieszczony w tabeli 4.3. Tabela 4.3 Błąd dopuszczalny Lp. Zakres pomiarowy w % wartości w mω mierzonej μω 0, mω 5 60 mω mω mω mω Ω 0,5 -,5 -,

11 Uzyskane wyniki przedstawić w tabeli 4.4 wykorzystując dane o błędach z tabeli 4.3 Tabela 4.4 Lp. 3 I J K Oznaczenie rezystora Mnożnik M Odczyt a R x [ ] R x [ ] R x 5. Wyznaczenie rezystywności drutu oporowego Obiektem mierzonym jest rezystor K. Dane mierzonego drutu oporowego: średnica drutu: Zestaw : d =,53 mm ± 0,0 mm, Zestaw : d = 0,65 mm ± 0,0 mm długość drutu: Zestaw : l = 45,0 mm ± 0,5 mm, Zestaw : l = 400,0 mm ± 0,5 mm Pomiar rezystancji drutu - R x przeprowadzony jest za pomocą technicznego mostka Thomsona, a wartość rezystywności wyznaczana jest wg wzoru: R x S (5.) l gdzie: S pole przekroju drutu, l długość drutu. Błąd pomiaru rezystywności oblicza się stosując do wzoru (5.) prawo przenoszenia błędów. 6. Pomiar rezystancji wewnętrznej źródła napięcia stałego (akumulatora) Należy zastosować układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 6.. W miejsce linii przerywanej należy włączyć przyrządy pomiarowe. Podczas pomiaru wartość rezystora R powinna być tak dobrana, aby uzyskać prąd o wartości ( 3.5) amperów. W celu wyznaczenia wartości R należy dwukrotnie zmierzyć wartość napięcia na zaciskach źródła: w U- gdy źródło nie jest obciążone (zamknięty wyłącznik P, otwarty wyłącznik P) U - gdy źródło obciążone jest rezystancją R (zamknięte oba wyłączniki).

12 Rys.6.. Schemat układu do pomiaru rezystancji wewnętrznej akumulatora E akumulator V V multimetr M-3860 R v 0 M A Magnetoelektryczny miernik LM-3 (amperomierz zakres 7,5 A, klasa 0,5) R Rezystor suwakowy OPK- zakres 6,4 /4 A Wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora oblicza się z zależności: U U R [ wp ] (6.) U U I R v lub ze wzoru uproszczonego (dla R v ) gdzie: U U R [ w ] (6.) I U,U - napięcia wskazane przez woltomierz, odpowiednio dla nieobciążonego i obciążonego akumulatora, I - prąd wskazany przez amperomierz w pozycji przełącznika P, R V - rezystancja wewnętrzna woltomierza. Błąd bezwzględny metody wynosi a jego wartość względna Rm Rw Rwp (6.3)

13 Błąd pomiaru Rw Rm R m (6.4) Rwp, wynikający z klasy przyrządów, należy obliczyć na podstawie prawa przenoszenia błędów, stosując metodę różniczki zupełnej do wzoru (6.), korzystając z wartości błędów pomiaru napięć U i U oraz prądu I wyznaczonych z danych technicznych woltomierza i amperomierza. Jeśli Rw, oznacza graniczną wartość błędu, to wynosi ona: R w I U U (6.5) U U Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić w tabeli 6. Tabela 6. Lp. Napięcie znamionowe akumulatora [V] I [A] U [V] U [V] R wp [] R w [] Rm Rw 7. Wyznaczenie charakterystyki R = f(u) elementu nieliniowego (żarówki) Należy zastosować układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 7.. W miejsce linii przerywanej należy włączyć przyrządy pomiarowe. Rys. 7. Schemat układu do pomiaru rezystancji żarówki R S rezystor suwakowy OPK- zakres 8 /,5 A 3

14 E zasilacz DF73SB3A (ustawić wartość 6 V) A amperomierz magnetoelektryczny zakres 75 ma, klasa 0,5 (LM-3) V multimetr M-3860D, Ż żarówka 6V/50 ma R v 0 M Regulując napięcie w zakresie 0 6 V za pomocą rezystora suwakowego R S należy wykonać minimum 0 pomiarów umożliwiających sporządzenie charakterystyki R f U żarówki. Wartość rezystancji dla każdego pomiaru wyznacza się z zależności lub ze wzoru uproszczonego (dla Ui Rxi Ii Ui Ii Rv R v ), i =,, (7.) gdzie: U R i xi, i =,, (7.) Ii Ui - napięcie wskazane przez woltomierz, I i - prąd wskazany przez amperomierz, R v - rezystancja wewnętrzna woltomierza. Względny błąd pomiaru Rxi, wynikający z klas przyrządów, należy obliczyć na podstawie prawa przenoszenia błędów, stosując metodę różniczki zupełnej do wzoru (7.), korzystając z wartości błędów pomiaru napięcia Ui oraz prądu Ii wyznaczonych na podstawie danych technicznych woltomierza i amperomierza. Graniczna wartość błędu wynosi: Rxi (7.3) Ui Ii Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 7. oraz przedstawić graficznie w postaci charakterystyki f U R. 4

15 Tabela 7. i I i [A] Ii U i [V] Ui R xi [] Rxi Wykaz sprzętu pomiarowego potrzebnego do wykonania ćwiczenia Pomiary stałoprądowe. Zasilacz stabilizowany DF 73SB3A 0 30 V / 0 3 A. Rezystor suwakowy OPK- zakres 6,4 / 4 A 3. Rezystor suwakowy OPK- zakres 8 /.5 A 4. Magnetoelektryczny miernik LM-3 (amperomierz wielozakresowy, klasa 0,5) 5. Rezystor dekadowy 0, x 0 k, 6. Megaomomierz induktorowy 0,5 W, 0 M - IMI Multimetr cyfrowy M 3860D 8. Obiekt pomiarowy - akumulator (,4/4,8/6 V) 9. Obiekt pomiarowy - żarówka 6 V/50 ma 0. Obiekt pomiarowy zestaw rezystancji oznaczonych literami A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K (A 5 M, B M, C 30 k, D 4 k, E k, F 00, G 40, H - 0, I -, J 0,5, K drut oporowy. Zestaw : Drut oporowy K średnica drutu d =,53 mm ± 0,0 mm: długość drutu l = 45,0 mm ± 0,5 mm,. Zestaw : Drut oporowy K średnica drutu d = 0,65 mm ± 0,0 mm: długość drutu l = 400,0 mm ± 0,5 mm. 5