background image

 

Katedra Transportu  

Szynowego 

LABORATORIUM 

ELEKTROTECHNIKI 

 

W

YDZIAŁ 

 

T

RANSPORTU

 

 

 

ĆWICZENIE 

1 

 
POMIARY  PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

 

 

STRONA

 

1

 Z 

 

 

I. 

CEL 

 

Zapoznanie się z zjawiskiem przesunięcia fazowego 

 

II. 

ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA 

 

Generator,  

 

dekada kondensatorowa,  

 

dekada rezystorów, 

 

oscyloskop dwukanałowy, 

 

III. 

SPOSÓB POSTEPOWANIA 

 

1.  Utworzyć schemat pomiarowy zgodnie z instrukcją rys. 3.1, 

 

 Rys. 3.1. Obwód RC - pomiar przesunięcia fazowego     

 

 

2. Pomiar kąta przesunięcia fazowego metodą bezpośredniej obserwacji  przebiegów: 

       Korzystając  z  pracy  dwukanałowej  oscyloskopu  zmierzyć  przesunięcie  fazowe  między 

sygnałem wejściowym (rys. 3.2) i wyjściowym obwodu RC (rys. 3.1) pomiary powtórzyć 

dla: 

background image

 

 

A. Wpływ zmiany pojemności C na kąt przesunięcia fazowego: 

 

Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 1 kHz,  i ustawionej wartości na elementach 

obwodu: R1 = 100Ω i C1 = 0,47µF

 

Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 1 kHz,  i ustawionej wartości na elementach 

obwodu: R1 = 100Ω i C1 = 2,2 µF

B. Wpływ zmiany rezystancji R na kąt przesunięcia fazowego: 

 

Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 100 Hz i  ustawionej wartości na elementach 

obwodu: R1 = 500 Ω i C1 = 2,2 µF

 

Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 100 Hz i  ustawionej wartości na elementach 

obwodu: R1 = 800 Ω i C1 = 2,2 µF

  

Rys. 3.2. Przebiegi czasowe u

1

, u

2

 dla układu RC 

 

3.  Pomiar kąta przesunięcia fazowego metodą bezpośredniej obserwacji  przebiegów (rys. 3.2): 

Korzystając  z  pracy  dwukanałowej  oscyloskopu  zmierzyć  przesunięcie  fazowe 

między    sygnałem  wejściowym  i  wyjściowym  obwodu  RL  (rys.  3.3)  pomiary 

powtórzyć dla: 

A.  Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 500 Hz i  ustawionej wartości na 

elementach obwodu: R1 = 100 Ω i L,  

B. Ustawionej częstotliwości generatora ƒ = 800 Hz i  ustawionej wartości na 

elementach obwodu: R1 = 100 Ω i L,  

 

background image

 

 

Rys. 3. 3. Obwód RL - pomiar przesunięcia fazowego     
 

 

Rys. 3.4. Przebiegi czasowe u

1

, u

dla układu RL 

 

a)  Pomiar kąta przesunięcia fazowego metodą elipsy (rys. 3.5):  
 
       Korzystając z pracy  Y oscyloskopu, pomierzyć w funkcji częstotliwości odpowiednie 

odcinki elipsy, pozwalające na określenie przesunięcia fazowego metodą funkcji sinusa  

i  tangensa kąta. Przed pomiarem przeprowadzić regulację wzmocnienia  w torze X i Y 

tak,  aby  doprowadzić  do  równości  przemieszczeń  plamki  w  osi  x  i  y  (inaczej  wpisać 

elipsę  w  umowny  kwadrat  skali  pomocniczej  ekranu  oscyloskopu).  Powtórzyć  pomiary 

jak w pkt. 2A, 2B, 3A, 3B. 

 

 

 

 

                                         Tabela 3.1 Przykładowa tabela pomiarowa 

f

gen 

metoda bezpośrednia 

metoda sinusa 

metoda tangensa 

OB 

OA 

 

AB 

CD 

 

KL 

MN 

 

kHz 

mm 

 

mm 

 

mm 

 

0,1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
gdzie: dla met bezpośredniej rys 3.2, dla metody sinusa i tangensa rys. 3.4, 

background image

 

              

         

  

IV. 

WSTĘP TEORETYCZNY 

 

4.1. 

Przesunięcie fazowe przebiegów sinusoidalnych 

Napięcia  i  prądy  sinusoidalne  występujące  w  obwodzie  badanym,  mają  często  jednakową 

częstotliwość,  a  różnią  się  amplitudą  i  fazą  początkową.  Przebiegi  sinusoidalne  o  jednakowej 

częstotliwości  nazywamy  przebiegami  synchronicznymi[3].  Przesunięciem  fazowym  przebiegów 

sinusoidalnych nazywamy różnicę faz początkowych dwóch przebiegów o tej samej częstotliwości. 

Przesuniecie fazowe miedzy dwoma przebiegami okresowymi można określić jako różnice faz obu 

przebiegów w chwili ich przejścia przez określony, najczęściej zerowy poziom: 

 

     

 

 

 

 

 

  

 

 

 

         (4.1) 

 

Jeżeli  oba  przebiegi  posiadają  jednakowa  częstotliwość,  to  przesuniecie  fazowe  jest  stałe,         

niezależne  od  momentu  wykonywania  pomiaru.  Przesuniecie  można  wyrazić  również 

proporcjonalnym przesunięciem czasowym (wyrażonym w mierze kątowej), jako stosunek różnicy 

czasów ∆t przejścia przebiegów przez zero, do okresu przebiegu T: 

 

                      

 

    

                                                 (4.2) 

Pomiaru  przesunięcia  fazowego  dokonuje  się  fazomierzami  elektronicznymi  (analogowymi 

Rys. 3.5. Elipsa z zaznaczonymi                       
charakterystycznymi odcinkami
 

background image

 

lub  cyfrowymi)  lub  za  pomocą  oscyloskopu.  Wykorzystuje  się  w  tym  ostatnim  przypadku  dwie 

metody.  Jedna  z  nich  polega  na  bezpośredniej  obserwacji  przesunięcia  fazowego  miedzy  dwoma 

sygnałami  podłączonymi  do  wejść  obu  kanałów  odchylania  pionowego  oscyloskopu 

dwukanałowego. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Najprostszą metodą pomiaru kąta fazowego między dworna sygnałami sinusoidalnymi jest ich 

porównanie  na  oscyloskopie  dwukanałowym  (z  przełącznikiem  elektronicznym),  rys.  4.2.  Przed 

pomiarem  należy  sprawdzić  przesunięcie  występujące  między  napięciami  w  torach  A  i  B  przez 

połączenie  obu  wejść  razem  i  doprowadzenie  do  nich  jednego  z  badanych  przebiegów.  Obrazy 

oglądane na obu kanałach powinny się ze sobą pokrywać. Przy pomiarze należy pamiętać o tym, że 

poziome osie zerowe obu obrazów muszą się ze sobą pokrywać. 

 

Rys. 4.2.  Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu dwukanałowego 

Wartość przesunięcia fazowego określa się z zależności : 

 = 180 

o

 

· 

OA

OB

 

 

 

 

 

 

        (4.3) 

Przy  czym:  OA  —  długość  odcinka  odpowiadającego  połowie  okresu;  OB.  -  długość  odcinka 

między  punktami  przejścia  przez  zero.  Dokładność  pomiarów  wykonanych  oscyloskopem 

dwukanałowym jest lepsza niż metodą elipsy; błąd pomiaru nie powinien przekraczać kilku stopni. 

Metoda  druga  polega  na  wykorzystaniu  figur  Lissajous,  w  tym  przypadku  elipsy.  

Aby  skorzystać  z  takiej  możliwości  należy  wyłączyć  wewnętrzny  generator  podstawy  czasu 

(korzystamy  z  pracy  X-Y),  a  przebiegi  sinusoidalne  podajemy  do  wejść  X  i  Y  oscyloskopu.   

W  zależności  od  kąta  fazowego  między  badanymi  sygnałami  obserwuje  się  na  ekranie  różne 

kształty, wymiary i ułożenia elipsy ( rys.4.3).  

background image

 

 

Rys. 4.3.  Położenia elipsy w zależności od kąta fazowego 

Gdy  przesunięcie  fazowe  wynosi  0

  lub  180

,  wówczas  na  ekranie  pojawi  się  prosta 

przechodząca przez I i III ćwiartkę układu współrzędnych lub odpowiednio przez II i IV ćwiartkę. Przy 

kącie fazowym 90

 na ekranie pojawi się okrąg.  

Dla  pośrednich  wartości  kąta  przesunięcia  otrzymujemy  na  ekranie  elipsę  o  wymiarach 

zależnych  od  wartości  kąta  fazowego.  Określenie  przesunięcia  fazowego  w  tej  metodzie  wymaga 

pomiaru z obrazu długości odpowiednich odcinków elipsy ( rys. 4.4), lecz przesunięcie fazowe 

  w tej 

metodzie wyznacza zależność : 

 = arc sin

CD

AB

     

 

 

 

 

        (4.4) 

Powyższa  metoda,  nazywana  również  metodą  funkcji  sinusa,  zalecana  jest  do  pomiarów  kątów 

 

mniejszych od 60 

background image

 

   

 

Rys. 4.4. Elipsa z zaznaczonymi charakterystycznymi odcinkami 

Korzystając  z  wymiarów  maksymalnego  MN  i  minimalnego  KL  promienia  elipsy  można  również 

określić wartość przesunięcia fazowego, z zależności: 

 

  =  2 arc tg  

MN

KL

      

 

 

                     (4.5) 

 

Metoda funkcji tangensa kąta  zalecana jest dla kątów  

 > 60 

o

Warunkiem  poprawnego  pomiaru  metodą  tangensa  kąta  jest  konieczność  zapewnienia  równości 

amplitud wzdłuż obu osi; praktycznie sprowadza się to do wpisania elipsy przy pomocy regulatorów 

wzmocnienia w obu torach oscyloskopu w umowny kwadrat siatki ekranu. 

Doprowadzenie  do  wejść  oscyloskopu  sygnałów  odkształconych  od  sinusoidy  powoduje 

uzyskanie na ekranie figur nieregularnych, uniemożliwiających pomiar.  

Źródłami błędów pomiarowych kąta fazowego w metodzie elipsy są :  

 

niedokładność pomiaru długości odpowiednich odcinków na ekranie lampy oscylosko-powej;  

 

nieliniowość wzmocnienia i odchylania promienia w obu kanałach oscyloskopu; 

 

zniekształcenia badanych napięć; 

 

pasożytnicze przesunięcia fazowe w obwodach wzmacniaczy oscyloskopu. 

 

Ponieważ  wynik  uzyskuje  się  na  podstawie  odczytów  długości  odpowiednich  odcinków,  

o  błędzie  względnym  dokładności  pomiaru 



    decydują  niepewności  ich  wyznaczenia  na  ekranie 

lampy: 

 

 

background image

 

 

 = 

a + 

b =  

100

b

Δb

a

Δa

 %                  

 

          (4.6) 

gdzie : a, b – długości mierzonych odcinków, np. OA i OB, AB i CD, KL i MN

a, 

b – niedokładność odczytu tych odcinków, najczęściej równa 0,05 cm; 

 

Wypadkowy błąd pomiaru kąta fazowego może wynosić kilka procent. 

 

V. 

 OPRACOWANIE WYNIKÓW 

    1.   Wyliczyć wartość przesunięcia fazowego metodą bezpośrednią 

 

Rys. 5.1 Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu dwukanałowego 

 

Wartość przesunięcia fazowego określa się z zależności : 

 = 180 

o

 

· 

OA

OB

 

 

 

 

 

 

         (5.1) 

2.  Wyliczyć wartość przesunięcia fazowego metodą elipsy „krzywych Lissajous” 

 

background image

 

Rys. 5.2. Elipsa z zaznaczonymi charakterystycznymi odcinkami 

 

 

Wartość przesunięcia fazowego w tej metodzie wyznacza zależność : 

 

 = arc sin

CD

AB

  

 

 

 

                      (5.2) 

 

Powyższa metoda, nazywana również metodą funkcji sinusa, zalecana jest do pomiarów kątów 

 

mniejszych  od  60

o

.  Korzystając  z  wymiarów  maksymalnego  MN  i  minimalnego  KL  promienia 

elipsy można również określić wartość kąta przesunięcia fazowego, z zależności: 

 

 / 2 = arc tg  

MN

KL

   

 

 

                      (5.3) 

 

Metoda funkcji tangensa kąta  zalecana jest dla kątów  

 > 60

 

 

Wypadkowy błąd pomiaru kąta fazowego: 

 

 

 = 

a + 

b =  

100

b

Δb

a

Δa

 %                  

 

         (5.4) 

gdzie : a, b – długości mierzonych odcinków, np. OA i OB, AB i CD, KL i MN

a, 

b – niedokładność odczytu tych odcinków, najczęściej równa 0,05 cm;

 

 

 

3. 

Interpretacja uzyskanych wyników i wnioski 

 

VI.  ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA 

 

Definicja pojemności, rezystancji, 

 

Pomiar kąta przesunięcia fazowego metodą bezpośrednią, 

 

Pomiar kąta przesunięcia fazowego metodą elipsy, 

  Zastosowanie oscyloskopu, 

  Zastosowanie Generatora, 

 

background image

 

10 

 

VII.  LITERATURA 

1.  B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000 

2.  H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001 

3.  S. Idzi „Pomiary elektryczne. Obwody prądu stałego” PWN Warszawa 1999 

4.  G.  Łomnicka-Przybyłowska  „Pomiary  elektryczne.  Obwody  prądu  zmiennego”  PWN  

Warszawa 2000 

5.  S. Bolkowski „Teoria obwodów elektrycznych” WNT, Warszawa 2001