Instytut Fizyki ul. Wielkopolska 15 70-451 Szczecin 1 Pracownia Elektroniki. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych........ (Oprac. dr Radosław Gąsowski) Zakres materiału obowiązujący do ćwiczenia: prawa Kirchoffa; prawo Ohma; napięcie szczytowe i skuteczne; współczynnik kształtu krzywej; impedancja; mostek Wheatstone'a - zasada pomiaru; mostek Maxwella-Wiena - zasada pomiaru; sposoby podłączenia woltomierza i amperomierza w badanych układach.
Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczanie wartości oporu z prawa Ohma. Połączyć obwód według schematu (jako amperomierz zastosować multimetr typu M3800, a jako woltomierz multimetr V640) Zasilacz ZM 6/50 + U S A M3800 + R P + V V640 Rys.1 Płytka pomiarowa gdzie R jest badanym rezystorem, a P potencjometrem. Jako źródło napięcia wykorzystać zasilacz ZM6/50. Ustalić na zasilaczu maksymalną wartość napięcia. Dla 6 położeń potencjometru P zmierzyć wartości natężenia prądu płynącego przez rezystor R oraz spadki napięć na rezystorze R. Dopasować odpowiedni zakres pomiarowy na miernikach do wartości mierzonego napięcia i natężenia prądu. Tabela pomiarowa: Rezystor nr: Typ i nr woltomierza:... Typ i nr amperomierza:... Lp U[V] Zakres[V] I[mA] Zakres[mA] 1 2 3 4 5 6 2
2. Pomiar napięcia szczytowego i skutecznego Wybrać dowolną częstotliwość (z zakresu 100Hz-20kHz) i wartość sygnału wyjściowego z generatora G432. Przy ustalonych parametrach sygnału wyjściowego dokonać pomiaru jego wartości szczytowej przy pomocy oscyloskopu i wartości napięcia skutecznego przy pomocy multimetru V640 (Rys.2). Pomiary wykonać dla sygnału sinusoidalnego i trójkątnego. Generator G432 V V640 Tabela pomiarowa: Rys.2 Napięcie skuteczne (U sk ) Napięcie szczytowe (U s ) Typ i nr miernika:... Typ i nr oscyloskopu:... Sygnał U sk [V] zakres[v] Y[dz] Y[dz] Wsp. odch. [V/dz] sinusoidalny trójkątny 3. Pomiar rezystancji i indukcyjności a.) Wykonać pomiar rezystancji R opornika drutowego przy pomocy mostka Wheatstone a typ MW 78 zasilanego prądem stałym (z zasilacza ZM 6/50). Zasilacz ZM 6/50 + + U S B Mostek Wheatstone a MW 78 Rys.3 3 G R x G MEA-1 Opornik drutowy
b.) Wykonać pomiar rezystancji czynnej R a opornika drutowego przy pomocy mostka uniwersalnego RLC typ E316 (Rys.4) zasilanego prądem przemiennym (generator wewnętrzny 1000Hz). Pomiar rezystancji powtórzyć sześć razy, zapisując za każdym razem otrzymany wynik. Mostek RLC E316 X Opornik drutowy Rys.4 c.) Wykonać pomiar indukcyjności cewki przy pomocy mostka uniwersalnego RLC, typ E316 (Rys.5) zasilanego prądem przemiennym (generator wewnętrzny 1000Hz). Pomiar indukcyjności powtórzyć sześć razy, zapisując za każdym razem otrzymany wynik. Mostek RLC E316 X Cewka Rys.5 4
Tabela pomiarowa: Typ mostka Wheatstone a:... Typ mostka uniwersalnego RLC:... Opornik drutowy nr:... Cewka nr:... Wartość odczytana Zakres/ mnożnik [jednostka] Dokładność pomiaru Wspołczynnik korekcji K (1) a.) R 1. b.) c.) R a L 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. (1) współczynnik korekcji patrz instrukcja obsługi mostka uniwersalnego E316 5
Opracowanie wyników 1. Wyznaczanie wartości oporu z prawa Ohma Obliczyć wartości niepewności pomiarowych U i I. Sporządzić wykres I=f(U) zaznaczając punkty pomiarowe i prostokąty błędów. Stosując analizę regresji prostoliniowej obliczyć średnią wartość oporu oraz jego niepewność pomiarową. Tabela wyników: Rezystor nr: Typ i nr woltomierza:... Typ i nr amperomierza:... Lp U[V] U[V] I[mA] I[mA] 1 2 3 4 5 6 R śr [Ω] R śr [Ω] 2. Pomiar napięcia szczytowego i skutecznego Obliczyć wartości napięć i ich niepewności pomiarowe. Wyznaczyć współczynniki kształtu krzywej badanych przebiegów, zdefiniowanych jako stosunek napięcia skutecznego do średniego (z połowy okresu): U k = U sk śr ; oraz ich niepewności k. 6
Tabela wyników: Napięcie skuteczne (U sk ) Napięcie szczytowe (U s ) Typ i nr miernika:... Typ i nr oscyloskopu:... Sygnał U sk [V] U sk [V] U szcz [V] U szcz [V] k k sinusoidalny trójkątny 3. Pomiar rezystancji i indukcyjności Obliczyć wartość rezystancji R, rezystancji czynnej R a, indukcyjności L oraz niepewności pomiarowe tych wielkości ( R, R a, L). Obliczyć wartość modułu impedancji Z opornika drutowego korzystając z zależności: Z = K R a ; gdzie: K współczynnik korekcji i wyznaczyć niepewność pomiarową Z. Następnie obliczyć wartość reaktancji badanej cewki dla prądu o częstotliwości 1000Hz oraz jej niepewność X L. Wyjaśnić różnicę między wartościami otrzymanymi w punktach a i b. Tabela wyników: Typ mostka Wheatstone a:... Typ mostka uniwersalnego RLC:... Opornik drutowy nr:... Cewka nr:... R[Ω] R a [Ω] L[H] Z[Ω] X L [Ω] R[Ω] R a [Ω] L[H] Z[Ω] X L [Ω] 7
Przykładowe obliczenia Dla każdego punktu ćwiczenia podać po 1 przykładzie obliczenia wyznaczanej wielkości oraz niepewności pomiarowej, wg schematu: wzór końcowy = podstawione zmierzone wielkości wraz z jednostkami = wynik końcowy Dyskusja i wnioski Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i niepewności pomiarowych. Zestaw przyrządów i wyposażenia 1. Oscyloskop; 2. Zasilacz anodowy typ ZM 6/50; 3. Generator funkcyjny G432; 4. Mostek Wheatstone a MW 78; 5. Uniwersalny mostek RLC typ E316; 6. Galwanometr MEA-1; 7. Multimetr V640 1szt. 8. Multimetr M3800 1szt. 9. Elementy pomiarowe; 10. Przewody 6szt. + 2 koncentryczne. Literatura 1. Szczeniowski Sz., Fizyka doświadczalna, cz. III: Elektryczność i magnetyzm, WNT, Warszawa 1984; 2. Chabłowski J., Skulimowski W., Elektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1982; 3. Hempowicz P. i inni, Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków, WNT, Warszawa 1991; 4. Nuhrman D., Jak mierzyć poprawnie. Technika pomiarowa i błąd pomiaru w elektronice, WKŁ, Warszawa 1978. 8