background image

 

Seria ćwiczeń I 

Ćwiczenie 5 

POMIAR REZYSTANCJI METODĄ TECHNICZNĄ 

1. CEL ĆWICZENIA 

Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  sposobu  pomiaru  rezystancji,  reaktancji  i  impedancji  metodą 

techniczną.  Omówione  i  użyte  zostaną:  metoda,  układy  oraz  mierniki  napięcia  i  prądu  stałego  (pomiary 
rezystancji),  a  także  napięcia  i  prądu  przemiennego  (pomiary  reaktancji  indukcyjnej  i  pojemnościowej 
oraz impedancji). 

2. PODSTAWY TEORETYCZNE 

2.1. Pomiar rezystancji 

Pomiar rezystancji metodą

 

techniczną

 

wymaga znajomości prawa

 

Ohma,

 

a

 

także użycia woltomierza i 

amperomierza prądu stałego oraz źródła prądu stałego. 

2.1.1. Układ „poprawnie” mierzonego napięcia 

 

Rys. 1. Układ do pomiaru rezystancji przy zadanej wartości napięcia 

W układzie według rysunku 1 prąd zmierzony przez amperomierz wynosi 

 

V

x

A

I

I

I

 

(1) 

Wartość „rzeczywista” rezystancji R

x

 jest określona wzorem 

 

V

x

x

U

R

I

 

(2) 

a wartość otrzymana na podstawie wskazań mierników 

 

V

x

V

A

V

x

I

I

U

I

U

R

 

(3) 

gdzie: 
U

V

 - wartość napięcia wskazana przez woltomierz, 

background image

 

I

A

 - wartość natężenia prądu wskazanego przez amperomierz. 

Względny błąd pomiaru w tym układzie wyrażony jest zależnością 

 

%

100

R

R

R

R

R

1

1

R

R

R

R

V

x

x

x

V

x

x

x

xn

 

(4) 

2.1.2. Układ „poprawnie” mierzonego prądu 

 

Rys. 2. Układ do pomiaru rezystancji przy zadanej wartości prądu 

W układzie z rysunku 2 napięcie zmierzone przez woltomierz wyrażone jest zależnością 

 

V

A

A

x

A

x

U

I

(R

R )

U

U

U

 

(5) 

Wartość rzeczywistą rezystancji R

x

 określa wzór 

 

x

x

A

U

R

I

 

(6) 

a wartość otrzymana z pomiarów 

 

V

A

x

x

A

A

U

U

U

R

I

I

 

 

(7) 

Względny błąd pomiaru w układzie „poprawnie” mierzonego prądu wyraża zależność 

 

%

100

R

R

R

R

R

R

x

A

x

x

x

xp

 

(8) 

2.1.3. Dobór układu pomiarowego 

Wstępnie  można  założyć,  że  oba  omówione  układy  obarczone  są  błędami  metody  o  jednakowej 

wartości bezwzględnej 

 

xp

xn

R

R

 

(9) 

Po  podstawieniu  zależności  (4)  i  (8),  rozwiązaniu  wynikającego  z  (9)  równania  kwadratowego  i 
założeniu, że R

A

 << R

V

, otrzymano 

 

A

V

x

R

R

R

 

(10) 

Dla oporników o  dużych  wartościach rezystancji

 

A

V

x

R

R

R

 

należy stosować układ z rysunku 2, 

natomiast w sytuacjach odwrotnych, gdy

 

,

A

V

x

R

R

R

  układ z rysunku 1. 

background image

 

Przyjmuje się, że błąd metody (pomiaru) można pominąć, jeżeli jego wartość jest dziesięć razy mniejsza 
od  błędu  systematycznego  R

xs

  wynikającego  z  klasy  użytych  przyrządów  pomiarowych.  Błąd  ten 

wynosi: 

 

I

U

R

xs

 

(11) 

gdzie: 

 

U

U

U

  lub  

x

n

U

U

Kl

U 

 

(12) 

 

I

I

I

  lub  

x

n

I

I

Kl

I 

 

(13) 

 

2.2. Pomiary impedancji i jej składowych 

Do 

pomiaru 

impedancji 

prądem 

przemiennym 

można 

stosować, 

podobnie 

jak 

w przypadku pomiarów rezystancji metodą techniczną, jeden z dwu układów. 

2.2.1. Układ „poprawnie” mierzonego napięcia 

Do  pomiaru  impedancji  o  małej  wartości  należy  stosować  układ  „poprawnie”  mierzonego  napięcia 

(rys. 3). 

Wskazanie amperomierza wynosi 

 

A

x

V

I

I

I

 

(14) 

gdzie

 

x

V

V

U

I

R

 

- prąd płynący przez woltomierz oraz U

x

 = U

V

Wartość rzeczywista impedancji określona jest wzorem 

 

x

x

x

A

V

U

Z

U

| I |

R

 

(15) 

 

 

Rys. 3. Układ „poprawnie” mierzonego napięcia do pomiaru impedancji 

background image

 

Jeżeli  rezystancja  woltomierza  jest  odpowiednio  duża,  to  można  pominąć  prąd  płynący  przez 

woltomierz, a wówczas otrzyma się przybliżoną wartość impedancji 

 

x

x

A

U

Z

I

 

 

(16) 

Popełniony tu błąd względny będzie równy 

 

x

x

x

V

Z

Z

100%

Z

R

 

(17) 

2.2.2. Układ „poprawnie” mierzonego prądu 

Układ  „poprawnie”  mierzonego  prądu  przedstawiony  na  rysunku  4  przeznaczony  jest  do  pomiaru 

impedancji o dużej wartości. Rzeczywistą wartość impedancji Z

x

 można obliczyć z prawa Ohma 

 

x

x

x

U

Z

I

 

(18) 

Woltomierz wskazuje wartość 

 

V

x

A

U

U

U

 

(19) 

gdzie

 

A

A

A

U

I

Z

 

- spadek napięcia na amperomierzu. 

Wartość impedancji mierzonej jest wyrażona zależnością 

 

V

A

V

A

A

x

A

A

| U | | U |

| U | | I

Z |

Z

I

I

 

(20) 

 

Rys. 4. Układ „poprawnie” mierzonego prądu do pomiaru impedancji 

Impedancja  amperomierza  jest  zazwyczaj  mała  w  stosunku  do  impedancji  mierzonej,  toteż  można 
pominąć spadek napięcia na amperomierzu i wówczas otrzyma się wartość przybliżoną 

 

V

V

x

x

A

U

U

Z

I

I

 

 

(21) 

Popełniony błąd względny będzie równy 

 

A

x

x

Z

Z

100%

Z

 

(22) 

background image

 

2.2.3. Pomiary reaktancji pojemnościowej 

Stratność stosowanych w praktyce kondensatorów jest bardzo mała. Dlatego rezystancję kondensatora 

można pominąć, nie popełniając dużego błędu. Impedancja będzie wtedy równa reaktancji 

 

Z  X

C

 

(23)

 

Korzystając z jednego z omówionych wyżej układów: 

a)  układu poprawnie mierzonego napięcia (rys. 3) do pomiaru dużych pojemności (rzędu F), 
b)  układu poprawnie  mierzonego prądu (rys. 4)  do pomiaru małych pojemności (rzędu  nF),  mierzy się 

pośrednio reaktancję kondensatora z błędem X

C

 

 

V

C

x

U

X

I

 

(24) 

Znając reaktancję X

C

 oraz częstotliwość f, można obliczyć pojemność kondensatora 

 

C

C

X

f

2

1

X

1

C

 

(25) 

Jeżeli  stratność  kondensatora  jest  duża,  należy  do  pomiaru  zastosować  układ  do  pomiaru  mocy 

jednofazowej (ćwicz. 8). 

2.2.4. Pomiary reaktancji indukcyjnościowej 

Przy  pomiarach  impedancji  o  charakterze  indukcyjnym  oprócz  indukcyjności  cewki  występuje 

rezystancja  uzwojeń  cewki.  Rezystancja  cewki  R

L

  jest  często  współmierna  z reaktancją  X

L

.  Pomiaru 

impedancji Z

x

 należy dokonać jednym z dwóch powyżej omówionych układów. 

Impedancję Z

x

 oblicza się ze wzoru 

 

x

x

x

U

Z

I

 

(26) 

Rezystancję  cewki  R

L

  należy  zmierzyć  miernikiem  cyfrowym.  Po  zmierzeniu  impedancji  Z

x

  i 

rezystancji R

L

 reaktancję X

L

 oblicza się ze wzoru 

 

2

2

L

x

L

X

Z

R

 

(27) 

Ostatecznie indukcyjność cewki należy określić ze wzoru 

 

L

L

X

X

L

2 f

 

(28) 

gdzie f - częstotliwość napięcia. 
 
 
 
 
 

 

 

 

background image

 

3. REALIZACJA PRAKTYCZNA ĆWICZENIA - POMIARY 

3.1. Program badań - zadania do wykonania 

a)  Dokonać  pomiaru  4  wartości  rezystancji  cewki  (dla  różnych  wartości  napięcia  zasilającego)  w 

układzie według rysunku 3. Wyniki zapisać w tabelach 1 i 2. 

 

 

Rys. 3.  Układ do pomiaru rezystancji: 1 - „poprawnie” mierzony prąd, 2 - „poprawnie” mierzone napięcie 

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla układu „poprawnie” mierzonego prądu - rys. 3 (P

1

I

n

 [A] =        Kl

I

 [%] =       

R

A

 [] =         

U

n

 [V] =        Kl

U

 [%] =     

R

V

 [] =         

R

I

x

=I

I 

U

v

 

U 

R

xp 

 

R

xs

 

Lp. 

mA 

 

UWAGI

 

... 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

A

=(23/I

n

)+0,004 

 

Tabela 2. Wyniki pomiarów dla układu „poprawnie” mierzonego napięcia - rys. 7 (P

2

I

n

 [A] =      Kl

I

 [%] =      

R

A

 [] =         

U

n

 [V] =     Kl

U

 [%] =

 

    

R

V

 [] =        

R

R

xp 

R

xs 

I

x

 

I 

U

x

=U

U 

Lp. 

mA 

 

UWAGI

 

.... 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

A

=(23/I

n

)+0,004 

 
Na podstawie wyników pomiarów wskazać właściwą metodę dla odpowiednich rezystancji. 
 
 

P

 

background image

 

4. ZADANIA I ZAGADNIENIA 

DO WERYFIKACJI WIEDZY ĆWICZĄCYCH 

1.  Omówić wpływ rezystancji lub impedancji przyrządów pomiarowych na dokładność pomiaru. 
2.  Omówić  wpływ  prądu  pobieranego  przez  woltomierz  na  dokładność  pomiaru  przy  pomiarze 

indukcyjności. 

3.  Narysować układ do pomiaru rezystancji R

x

, stosując: 

–  amperomierz: klasy 0,5 i zakresu 05 A 
–  woltomierz: o zakresie 060 V i R

V

 = 60 k 

Odczytane wskazania wynoszą: I = 1,2 A i U = 45 V. 
Jaka powinna być klasa woltomierza, aby błąd pomiaru R

x

 był  0,8 ? 

LITERATURA 

[1] Metrologia  elektryczna  -  ćwiczenia  laboratoryjne.  Części  1  i  2.  Praca  zbiorowa  pod  red.  Z. 

Biernackiego. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000. 

[2] A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1989, 1998, 2001. 
[3] W.  Kwiatkowski:  Miernictwo  elektryczne.  Analogowa  technika  pomiarowa.  Politechnika 

Warszawska, Warszawa 1999. 

P.H. Sydenham: Podręcznik metrologii. Tomy 1 i 2. WKiŁ, Warszawa 1990.