POLITECHNIKA ŚLĄSKA INSTYTUT AUTOMATYKI ZAKŁAD SYSTEMÓW POMIAROWYCH Gliwice, wrzesień 2005
Pomiar napięcia przemiennego Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbadanie dokładności woltomierza cyfrowego dla funkcji pomiaru napięcia przemiennego. Wykonane w czasie ćwiczenia pomiary służyć będą wyznaczaniu błędu podstawowego (dla pomiaru napięcia sinusoidalnego) oraz dodatkowego (dla pomiaru napięcia o kształcie prostokątnym i trójkątnym) badanego woltomierza. Wyznaczone błędy podstawowe porównane będą z charakterystyką metrologiczną badanego woltomierza. Badanie błędów dodatkowych ma na celu pokazanie wpływu kształtu mierzonego napięcia na wynik pomiaru, zrozumienie zasady działania prostych woltomierzy cyfrowych (bez funkcji true RMS) oraz zaznajomienie się z ograniczeniami woltomierzy realizujących pomiar tzw. prawdziwej wartości skutecznej true RMS napięcia przemiennego. Przyrządem badanym jest wskazany przez prowadzącego woltomierz cyfrowy zaś przyrządem wzorcowy jest multimetr HP34401A. Oscyloskop dostępny na stanowisku służy jedynie do kontroli współczynnika wypełnienia dla napięcia o przebiegu prostokątnym. Zadania 1. Przenieść do protokołu charakterystyki dokładnościowe przyrządów badanego (PL) i wzorcowego (HP) dla pomiaru napięcia przemiennego. 2. Upewnić się, że mierniki ustawione są na zakres 1V. 3. Na generatorze ustawić napięcie sinusoidalne o wartości skutecznej U sk =1V (wartość napięcia kontrolować na woltomierzu wzorcowym, ustawić z niedokładnością ±50mV przy częstotliwości 1kHz). 4. Nie zmieniając wartości uprzednio nastawionego napięcia wykonać serię pomiarów dla następujących częstotliwości napięcia, ustawianych na generatorze: 20, 50, 100, 200, 500, 1k, 2k, 5k, 10k, 12k, 15k, 25k, 75k, 100k [Hz]. Wyniki umieścić w przygotowanej uprzednio tablicy. 5. Ustawić na generatorze przebieg sinusoidalny o częstotliwości f = 1 khz. Trzykrotnie wykonać serię pomiarów miernikami HP i PL (zakres pomiarowy 1 V) dla tej częstotliwości i napięć 0,1; 0,2; 0,9; 1,0 [V] 6. Dla częstotliwości jak w pkt. 4 wykonać pomiary dla napięć o przebiegach trójkątnym i prostokątnym (dla współczynnika wypełnienia 0,5). 7. Dla napięcia o przebiegu prostokątnym, częstotliwości 1kHz i współczynniku wypełnienia 0,5 ustawić wskazanie woltomierza HP na U sk =1V ±50mV. Zapisać wskazania tego woltomierza (nie zmieniając w generatorze napięcia ani częstotliwości) dla współczynników wypełnienia 0,5; 0,25; 0,75. Zadania do opracowania sprawozdania 1) Korzystając z danych metrologicznych miernika PL, wykreślić zależność dopuszczalnego błędu bezwzględnego w funkcji częstotliwości mierzonego napięcia. Przyjąć dane: U x = 1 V; U z = 1 V; 2) Z danych pomiarowych wyznaczyć błędy podstawowe (bezwzględne) i nanieść je na wykres utworzony w pkt.1 Dodatkowo nanieść słupki błędów od miernika HP.
3) Wykreślić charakterystykę modułu dopuszczalnego błędu bezwzględnego w funkcji napięcia (zakresu 1V), dla miernika PL i danych U x od 0 do 1 V (co 0,1V); U z = 1 V; 4) Na wykres z pkt.3 nanieść moduły błędów wyznaczone z danych z zadania nr 5. Uwzględnić błąd miernika HP. 5) Wyznaczyć błędy bezwzględne z danych z zadania nr 6. Znając (np. z obliczeń) wartości współczynników kształtu dla napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego, skorygować wskazanie miernika PL i ponownie wyznaczyć błędy bezwzględne. Wyniki umieścić w (dobrze opisanych!!!) tablicach. 6) Wyciągnąć wnioski ze sporządzonych wykresów. Pytania kontrolne 1. Podać definicje miar napięcia przemiennego (wartości skutecznej, średniej, międzyszczytowej, amplitudy). 2. Co to jest współczynnik kształtu napięcia przemiennego? 3. Opisać przykładowe konstrukcje przetworników wartości skutecznej napięcia przemiennego. 4. Jakie warunki odniesienia należy zapewnić dla przeprowadzenia badań błędów podstawowych? Literatura 1. Piotrowski J.: Podstawy miernictwa, WNT, Warszawa, 2002, ss. 39-41; 237-254 2. Marcyniuk A.: Podstawy miernictwa elektrycznego, skrypt Pol. Śl., Wyd. Pol. Śl., Gliwice 2000
Informacje uzupełniające Charakterystyka dokładnościowa multimetru HP34401A dla funkcji pomiaru napięcia przemiennego.
Sposób poruszania się po menu przyrządu wzorcowego (HP34401A) (w czasie ćwiczenia należy ustawić w AC Filter wartość 3Hz). Związek pomiędzy rozdzielczością a czasem pomiaru (całkowania) napięcia stałego.
Realizacja funkcji pomiaru napięcia przemiennego Po trosze wyjaśnienie wyników uzyskanych w zadaniu nr 7.
Dla pomiaru napięcia przemiennego możliwy jest wybór trzech filtrów, które mają wpływ na szybkość i dokładność pomiaru. Co to właściwie jest to true RMS?
Jak pomiar napięcia przemiennego realizuje dostępny na stanowisku wotlomierz wzorcowy HP34401A? Wyjaśnienie poniżej. True RMS AC Measurements True RMS responding multimeters, like the HP 34401A, measure the heating potential of an applied voltage. Unlike an average responding measurement, a true RMS measurement is used to determine the power dissipated in a resistor. The power is proportional to the square of the measured true RMS voltage, independent of waveshape. An average responding ac multimeter is calibrated to read the same as a true RMS meter for sinewave inputs only. For other waveform shapes, an average responding meter will exhibit substantial errors as shown below. The multimeter s ac voltage and ac current functions measure the ac-coupled true RMS value. This is in contrast to the ac+dc true RMS value shown above. Only the heating value of the ac components of the input waveform are measured (dc is rejected). For sinewaves, triangle waves, and square waves, the ac and ac+dc values are equal since these waveforms do not contain a dc offset. Non-symmetrical waveforms, such as pulse trains, contain dc voltages which are rejected by ac-coupled true RMS measurements. An ac-coupled true RMS measurement is desirable in situations where you are measuring small ac signals in the presence of large dc offsets. For example, this situation is common when measuring ac ripple present on dc power supplies. There are situations, however, where you might want to know the ac+dc true RMS value. You can determine this value by combining results from dc and ac measurements as shown below. You should perform the dc measurement using at least 10 power line cycles of integration (6 digit mode) for best ac rejection.