INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI WAT

Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

Laboratorium Miernictwa Elektronicznego

Ćwiczenie 3

Temat: POMIARY NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO

Data wykonania ćwiczenia:

Grupa:

..................................................................

Zespół w składzie:

Data oddania sprawozdania:

..................................................................

1.

Ocena:

2.

..................................................................

Prowadzący ćwiczenie:

3.

..................................................................

Uwagi prowadzącego ćwiczenie:

Wykaz przyrządów znajdujących się na stanowiskach

Lp.

Nazwa przyrządu

Typ

Producent

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

A) Zestawienie parametrów wykorzystywanych przyrządów pomiarowych Tabela ta jest podstawą opracowania sprawozdania z ćwiczenia.

błąd graniczny ∆ gU,

typ

oznaczenia:

rodzaj

rodzaj

zakres

impedancja

przyrządu

w.z. - wartość zakresu

przetwornika

przyrządu

częstotliwości

wejściowa

w.m. - wartość mierzona

AC/DC

∆

dla zakresów

gU = ±1,5% w.z.

10Hz-20kHz

dla zakresu 1,5mV:

1,5mV÷

150mV:

m.cz. - wartości

∆

10MΩ 60pF średniej

multimetr

gU = ±(1,5% w.z.+1,5%w.m)

30Hz ÷10kHz

V-640

analogowy

w.cz. - wartości

∆

dla zakresów

gU = ±(1,5% w.z.+1,5%w.m)

10Hz÷30Hz

0,5V÷ 1,5kV: szczytowej

10kHz÷20kHz

100MΩ

20pF

dla zakresu 200,000 mV:

∆

U = ±(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

10 Hz ÷ 45 Hz

U = ±(0,2% w.m + 0,1% w.z)

∆

45 Hz ÷ 20 kHz

U = ±(2,0% w.m + 0,2% w.z)

∆

20 kHz ÷ 50 kHz

Przetwornik

U = ±(4,0% w.m + 0,2% w.z)

50 kHz ÷ 100 kHz

rzeczywistej

multimetr

1 MΩ ± 2%

DM3052

wartości

cyfrowy

dla zakresu 2 V÷ 750,00 V:

<100pF

skutecznej

∆

(True RMS)

U = ±(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

10 Hz ÷ 45 Hz

U = ±(0,2% w.m + 0,1% w.z)

∆

45 Hz ÷ 20 kHz

U = ±(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

20 kHz ÷ 50 kHz

U = ±(2,0% w.m + 0,2% w.z)

50 kHz ÷ 100 kHz

B) Sposób podłączenia mierzonego napięcia do gniazd wejściowych multimetru cyfrowego Gniazda wejściowe multimetru

cyfrowego DM3052

HI (+)

+

Mierzone napięcie

(stałe lub zmienne)

−

LO (−)

2

1. DOBÓR ZAKRESU POMIAROWEGO DO WARTOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA 1.1. Układ pomiarowy

Badany

Generator

woltomierz

pomiarowy

analogowy lub

m.cz.

cyfrowy

1.2. Pomiary

W układzie jak w p. 1.1 na ustalonym zakresie Uz wybranego woltomierza (multimetru) analogowego dokonać pomiaru 10 różnych wartości napięć generatora. SEM generatora zmieniać w zakresie 0.1Uz gen. ÷ Uz gen.

ze skokiem 0.1Uz. Wartości zmierzone jako wartości UV zapisać w tabeli.

Częstotliwość f = 1 kHz.

Woltomierz (multimetr) analogowy typ ..................

Zakres woltomierza Uz= .........

Zakres napięcia generatora Uz gen. =……………..

SEM

UV

uB(UV)

δU

V

V

V

%

0,1Uz.gen.

0,2Uz.gen.

0,3Uz.gen.

0,4Uz.gen.

0,5Uz.gen.

0,6Uz.gen.

0,7Uz.gen.

0,8Uz.gen.

0,9Uz.gen.

Uz.gen.

Powtórzyć pomiary dla wybranego woltomierza cyfrowego. Wyniki zapisać w tabeli. Pamiętać o zanotowaniu wszystkich cyfr wyniku – patrz formuła na błąd graniczny w tabeli na str. 2.

Woltomierz (multimetr) cyfrowy typ ..................

Zakres woltomierza Uz= .........

Zakres napięcia generatora Uz gen. =……………..

SEM

UV

uB(UV)

δU

V

V

V

%

0,1Uz.gen.

0,2Uz.gen.

0,3Uz.gen.

0,4Uz.gen.

0,5Uz.gen.

0,6Uz.gen.

0,7Uz.gen.

0,8Uz.gen.

0,9Uz.gen.

Uz.gen.

3

Polecenie. Korzystając z danych zawartych w tabeli na str. 2 określić błędy graniczne ∆g U wynikające z dokładności użytego przyrządu, którymi obarczone były pomiary napięcia generatora, niepewności standardowe uB(Um) oraz procentowe dokładności tych pomiarów δU wg zależności:

∆ U

g

u ( U ) =

B

V

3

u ( U )

δ

.

U =

B

V

⋅10 %

0

UV

Uwaga: błąd graniczny ∆gU nie jest różnicą pomiędzy wartością SEM a wartością zmierzoną - wyznacza się go w oparciu o zapisane w tabeli na str.2 formuły określania dokładności. Obliczenia wykonać dla woltomierza analogowego i cyfrowego pamiętając o zasadach podawania niepewności wyników pomiarów.

Na podstawie wypełnionych tabel wykreślić zależności δ U w funkcji Um. Zapisać wskazania dotyczące doboru zakresu woltomierza do wartości mierzonego napięcia i uzasadnić je.

2. WPŁYW CZĘSTOTLIWOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU

2.1. Układ pomiarowy

Generator

Badany

pomiarowy

woltomierz

Oscyloskop

2.2. Pomiary

W układzie jak w p. 2.1 dokonać pomiaru napięć harmonicznych generatora odpowiadających ustalonemu przez prowadzącego zajęcia położeniu pokrętła regulatora napięcia wyjściowego o częstotliwościach zawartych w tabeli.

Doboru przyrządu do pomiaru napięcia o danej częstotliwości należy dokonać na podstawie własności zestawionych w tabeli na str. 2. Wartości zmierzone wpisać do tabeli jako UV. W przypadku gdy dany woltomierz nie jest przeznaczony do pomiaru napięcia o zadanej częstotliwości należy wpisać do tabeli znak "-".

Woltomierz typ……….

Woltomierz typ……….

Zakres napięcia U

z =……..

Zakres napięcia Uz =……..

f

UV

Wynik

UV

Wynik

kHz

V

V

V

V

0,01

0,5

15

50

80

200

500

1000

Polecenie. Korzystając z danych zawartych w tabeli na str. 2 określić wyniki pomiarów jako wyrażenie: wynik = UV ± uB(UV),

gdzie uB(UV) jest niepewnością standardową pomiaru (p. polecenie punktu 1.2).

Wskazać przyrządy, które charakteryzują się największą dokładnością wskazań dla podanych częstotliwości.

Pamiętać o zasadach zaokrąglania wyników.

4

3. WPŁYW IMPEDANCJI WEWNĘTRZNEJ ŹRÓDŁA MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU

3.1. Układ pomiarowy

Rw.gen.

Rd

+

Generator

Badany

pomiarowy

woltomierz

−

3.2. Pomiary

W układzie jak w p. 3.1 dokonać pomiaru napięcia harmonicznego źródła o regulowanej rezystancji wewnętrznej Rw = Rwgen+Rd dla różnych wartości rezystancji Rd. Pomiary wykonać kolejno dla dwu różnych częstotliwości. Wartości zmierzone jako Um zanotować w tabelach. Jako SEM generatora przyjąć wskazanie woltomierza (lub kalibrowanego układu wyjściowego) wbudowanego w generator.

woltomierz typ ................... SEM= ..............................

Rd [kΩ]

0

100

200

300

400

500

600

800 1000 1500

f=1kHz

U



m [V]

Z 

we

= .............

f=20kHz



Um [V]

Z 

we

= .............

woltomierz typ ................... SEM= ..............................

Rd [kΩ]

0

100

200

300

400

500

600

800 1000 1500

f=1kHz

U



m [V]

Z 

we

= .............

f=20kHz

U



m [V]

Z 

we

= .............

Polecenie. Na podstawie informacji zawartych w tabeli na str. 2 obliczyć moduły impedancji wejściowych wybranych woltomierzy Z 

we

- należy przyjąć, że od strony źródła woltomierz stanowi równoległe połączenie rezystancji i pojemności o wartościach wskazanych w tabeli na str. 2. Wyniki obliczeń zapisać w tabelach .

Narysować na oddzielnych wykresach dla każdego z woltomierzy zmianę wskazania (czyli Um) w funkcji stosunku R



w / Zwe

, gdzie Rw=Rd+600Ω (lub Rw=Rd+50Ω) dla obydwu częstotliwości. Na każdym z wykresów nanieść SEM źródła napięcia. Dla przypadku częstotliwości 1kHz oszacować ile razy impedancja wejściowa woltomierza musi być większa od impedancji źródła aby spadek dokładności wskazań ze wzrostem Rw był nie większy niż o 10%. Wyciągnąć wnioski co do wpływu częstotliwości mierzonego napięcia na wymaganą wartość impedancji wejściowej woltomierza.

5

4. WPŁYW KSZTAŁTU MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU

4.1. Układ pomiarowy

Generator

Oscyloskop

funkcji

Badany

Badany

woltomierz

woltomierz

1

2

4.2. Pomiary

W układzie jak w p. 4.1 notować w tabeli wskazania α woltomierzy z różnymi typami przetworników AC/DC przy pomiarach napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego.

Kontrolować stałość wartości międzyszczytowej SEM np. SEMp-p=6V przy zmianie kształtu napięcia za pomocą dołączonego oscyloskopu.

typ woltomierza

rodzaj przetwornika AC/DC

α [V]

napięcie sinusoidalne

Uśr [V]

współcz. kształtu kk=1.11

współcz. szczytu ka=1.41

Usk [V]

Uszczyt [V]

α [V]

napięcie trójkątne

Uśr [V]

współcz. kształtu kk=1.15

współcz. szczytu ka=1.732

Usk [V]

Uszczyt [V]

α [V]

napięcie prostokątne

Uśr [V]

współcz. kształtu kk= 1

współcz. szczytu ka=1

Usk [V]

Uszczyt [V]

Polecenie. Bazując na wskazaniach α oraz na informacji o rodzaju przetwornika wykorzystanego w woltomierzu, obliczyć wartości charakterystyczne napięć: średnią, skuteczną i szczytową i zapisać je do tabeli.

W sprawozdaniu przedstawić zależności, według których wyznaczono te wartości oraz przykładowe obliczenia.

6

5. POMIARY NAPIĘCIA OKRESOWEGO METODAMI OSCYLOSKOPOWYMI 5.1. Metoda porównawcza (metoda podstawiania).

5.1.1. Układy pomiarowe

Krok 1

Generator

Ux

CH1

pomiarowy

Oscyloskop

Generator

Woltomierz

napięcia

elektroniczny

wzorcowego

U

Krok 2

Generator

CH1

pomiarowy

Oscyloskop

Generator

Woltomierz

napięcia

U

elektroniczny

w p-p=Ux

wzorcowego

U

Krok 3

Generator

pomiarowy

Oscyloskop

Generator

Woltomierz

napięcia

elektroniczny

wzorcowego

U

5.1.2. Pomiary

Sposób wykonania pomiarów.

Krok 1:

- mierzone napięcie o parametrach podanych w tabeli połączyć zgodnie z p. 5.1.1,

- regulując nastawami oscyloskopu, ustawić odpowiednią wysokość oscylogramu „H” (zalecane pełne pole pomiarowe),

- UWAGA: parametry kanału CH1 nie muszą być kalibrowane.

Krok 2:

- nie zmieniając nastaw oscyloskopu, podłączyć napięcie wzorcowe m.cz. na wejście CH1 oscyloskopu,

- ustawić wartość napięcia m.cz. tak aby otrzymać wysokość oscylogramu „H” (jak w kroku 1).

Krok 3:

- ustawione napięcie wzorcowe podłączyć do woltomierza (nie regulując jego wartości),

- odczytać wartość napięcia m.cz.,

- wyniki pomiarów zanotować w tabeli.

7

a) Pomiar napięcia w.cz.

Ux p-p = ……………..[V]

f

MHz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

H

dz

Um.cz.

V

Uw.cz.

V

Oznaczenia:

Ux p-p = const. – wartość międzyszczytowa napięcia w.cz. ustawiona na generatorze pomiarowym, H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe), Um.cz – wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem, Uw.cz. = Um.cz – zmierzona wartość skuteczna badanego napięcia w.cz.

b) Pomiary napięć odkształconych

Ux p-p = ……………..[V]

Kształt napięcia

H

dz

Um.cz.

V

Ux zm.

V

Oznaczenia:

Ux p-p = const. – wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym, H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe), Um.cz – wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem, Ux zm. = Um.cz ⋅2

2 – zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.

5.2. Metoda przesunięcia pionowego (zastosowanie trybu pracy ADD oscyloskopu) 5.2.1. Układ pomiarowy

CH1

Generator

pomiarowy

Przełącznik

rodzaju pracy

Oscyloskop

w położeniu:

ADD

Zasilacz

napięcia

CH2

stałego

U

5.2.2. Pomiary

Połączyć układ pomiarowy zgodnie z p. 5.2.1.

Napięcie zasilacza U= = 0.

Przełącznik rodzaju pracy w położeniu ADD (suma lub różnica przebiegów doprowadzonych do obu kanałów).

Współczynniki odchylania kanałów Y1 i Y2 w tym samym położeniu (DY1 = DY2).

8

Sposób wykonania pomiarów.

Krok 1:

- sprzężenia kanałów Y1 oraz Y2 w położeniu „masa” GND,

- regulując przesuwem pionowym linię podstawy czasu ustawić na środku pola pomiarowego (rysunek).

Krok 2:

- przełącznik sprzężenia kanałów Y1 oraz Y2 w położeniu DC – sprzężenie stałoprądowe,

- regulując przesuwem pionowym ustawić oscylogram tak aby wierzchołki górne oscylogramu pokryły się z linią środkową pola pomiarowego (rysunek).

Krok 3:

- regulując napięciem zasilacza U= , ustawić oscylogram tak aby wierzchołki dolne oscylogramu pokryły się z linią środkową pola pomiarowego (rysunek).

- wynik pomiaru: Ux p-p = U=.

Krok 1

Krok 2

Krok 3

a) Pomiar napięcia w.cz.

Ux = ……………..[Vp-p]

f

MHz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

U=

V

Ux p-p

V

Ux sk.

V

Oznaczenia:

- Ux = const. − wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,

- U= − wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,

- Ux p-p = U= − zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia U xp− p

U

=

− wartość skuteczna badanego napięcia

xsk.

2 2

b) Pomiary napięć odkształconych

Ux = ……………..[Vp-p]

Kształt napięcia

U=

V

Ux p-p

V

Oznaczenia:

- Ux = const. − wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,

- U= − wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,

- Ux p-p = U= − zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.

9

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

1) Protokół pomiarowy z wypełnionymi tabelami.

2) Przykłady obliczeń do każdego punktu pomiarowego.

3) Wymagane wykresy (odpowiednio opisane).

4) Porównanie wyników pomiarów z danymi technicznymi.

5) Wnioski wynikające z przeprowadzonych pomiarów i obserwacji.

Przykładowe pytania kontrolne:

1. Omówić definicje oraz sens fizyczny wartości charakterystycznych napięcia zmiennego (wartość średnia, skuteczna i szczytowa).

2. Scharakteryzować parametry użytkowe woltomierzy napięć zmiennych.

3. Omówić rolę, budowę i zasadę działania przetworników prostownikowych AC/DC w woltomierzach napięć zmiennych.

4. Omówić budowę (schematy blokowe) i zasadę działania elektronicznych woltomierzy analogowych.

5. Omówić wpływ impedancji wewnętrznej woltomierza na jego wskazania.

6. Omówić wpływ kształtu mierzonego napięcia na wskazania woltomierzy.

7. Omówić wpływ częstotliwości mierzonego napięcia na wskazania woltomierzy.

Literatura dodatkowa:

1) A.Chwaleba, M.Poniński, A.Siedlecki, „Metrologia elektryczna”, Wyd. 5, 6, 7, 8, 9 WNT, 1996r, 1998r, 2000r, 2003r, 2007r.

2) A.Jellonek, Z.Karkowski „Miernictwo radiotechniczne " WNT, 1972r 3) J. Parchański „Miernictwo elektryczne i elektroniczne” W S i P 1991r.

4) J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski „Podstawy miernictwa” Ofic. Wyd. Politechniki Warszawskiej, 1998r.

10