1
Uwagi prowadz
ą
cego
ć
wiczenie:
Wykaz przyrządów znajdujących się na stanowiskach
Lp.
Nazwa przyrządu
Typ
Producent
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI WAT
Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych
Laboratorium Miernictwa Elektronicznego 1
Ć
wiczenie 4
Temat: POMIARY NAPI
Ę
CIA PRZEMIENNEGO
Grupa:
Data wykonania
ć
wiczenia:
..................................................................
Data oddania sprawozdania:
..................................................................
Ocena:
..................................................................
Zespół w składzie:
1.
2.
3.
Prowadz
ą
cy
ć
wiczenie:
..................................................................
2
A) Zestawienie parametrów wykorzystywanych przyrządów pomiarowych
Tabela ta jest podstawą opracowania sprawozdania z ćwiczenia.
typ
przyrządu
rodzaj
przyrządu
błąd graniczny
∆
g
U,
oznaczenia:
w.z. - wartość zakresu
w.m. - wartość mierzona
zakres
częstotliwości
impedancja
wejściowa
rodzaj
przetwornika
AC/DC
∆
g
U =
±
1,5% w.z.
10Hz-20kHz
V-640
multimetr
analogowy
dla zakresu 1,5mV:
∆
g
U =
±
(1,5% w.z.+1,5%w.m)
∆
g
U =
±
(1,5% w.z.+1,5%w.m)
30Hz
÷
10kHz
10Hz
÷
30Hz
10kHz
÷
20kHz
dla zakresów
1,5mV
÷
150mV:
10M
Ω
60pF
dla zakresów
0,5V
÷
1,5kV:
100M
Ω
20pF
m.cz. - wartości
ś
redniej
w.cz. - wartości
szczytowej
dla zakresu 200,000 mV:
∆
U =
±
(1,0% w.m + 0,1% w.z)
∆
U =
±
(0,2% w.m + 0,1% w.z)
∆
U =
±
(2,0% w.m + 0,2% w.z)
∆
U =
±
(4,0% w.m + 0,2% w.z)
10 Hz
÷
45 Hz
45 Hz
÷
20 kHz
20 kHz
÷
50 kHz
50 kHz
÷
100 kHz
DM3052
multimetr
cyfrowy
dla zakresu 2 V
÷
750,00 V:
∆
U =
±
(1,0% w.m + 0,1% w.z)
∆
U =
±
(0,2% w.m + 0,1% w.z)
∆
U =
±
(1,0% w.m + 0,1% w.z)
∆
U =
±
(2,0% w.m + 0,2% w.z)
10 Hz
÷
45 Hz
45 Hz
÷
20 kHz
20 kHz
÷
50 kHz
50 kHz
÷
100 kHz
1 M
Ω
±
2%
<
100pF
Przetwornik
rzeczywistej
wartości
skutecznej
(True RMS)
B) Sposób podłączenia mierzonego napięcia do gniazd wejściowych multimetru cyfrowego
+
−
HI (+)
LO (
−
)
Mierzone napięcie
(stałe lub zmienne)
Gniazda wejściowe multimetru
cyfrowego DM3052
3
1. DOBÓR ZAKRESU POMIAROWEGO DO WARTOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA
1.1. Układ pomiarowy
1.2. Pomiary
W układzie jak w p. 1.1 na ustalonym zakresie U
z
wybranego woltomierza (multimetru) analogowego
dokonać pomiaru 10 różnych wartości napięć generatora. SEM generatora zmieniać w zakresie 0.1U
z gen.
÷
U
z gen.
ze skokiem 0.1U
z
. Wartości zmierzone jako wartości U
V
zapisać w tabeli.
Częstotliwość f = 1 kHz.
Woltomierz (multimetr) analogowy typ ..................
Zakres woltomierza U
z
= .........
Zakres napięcia generatora U
z gen.
=……………..
SEM
U
V
u
B
(U
V
)
δ
U
V
V
V
%
0,1U
z.gen.
0,2U
z.gen.
0,3U
z.gen.
0,4U
z.gen.
0,5U
z.gen.
0,6U
z.gen.
0,7U
z.gen.
0,8U
z.gen.
0,9U
z.gen.
U
z.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 U
z
= .........
Zakres napięcia generatora U
z gen.
=……………..
SEM
U
V
u
B
(U
V
)
δ
U
V
V
V
%
0,1U
z.gen.
0,2U
z.gen.
0,3U
z.gen.
0,4U
z.gen.
0,5U
z.gen.
0,6U
z.gen.
0,7U
z.gen.
0,8U
z.gen.
0,9U
z.gen.
U
z.gen.
Badany
woltomierz
analogowy lub
cyfrowy
Generator
pomiarowy
m.cz.
4
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 u
B
(U
m
) oraz
procentowe dokładności tych pomiarów
δ
U
wg zależności:
3
)
(
U
U
u
g
V
B
∆
=
%
100
)
(
⋅
=
V
V
B
U
U
U
u
δ
.
Uwaga: błąd graniczny
∆
g
U 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 U
m
. 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
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 U
V
. 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 U
z
=……..
f
U
V
Wynik
U
V
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 = U
V
±
u
B
(U
V
),
gdzie u
B
(U
V
) 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.
Generator
pomiarowy
Badany
woltomierz
Oscyloskop
5
3. WPŁYW IMPEDANCJI WEWNĘTRZNEJ ŹRÓDŁA MIERZONEGO NAPIĘCIA
NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU
3.1. Układ pomiarowy
3.2. Pomiary
W układzie jak w p. 3.1 dokonać pomiaru napięcia harmonicznego źródła o regulowanej rezystancji
wewnętrznej R
w
= R
wgen
+R
d
dla różnych wartości rezystancji R
d
. Pomiary wykonać kolejno dla dwu różnych
częstotliwości. Wartości zmierzone jako U
m
zanotować w tabelach. Jako SEM generatora przyjąć wskazanie
woltomierza (lub kalibrowanego układu wyjściowego) wbudowanego w generator.
woltomierz typ ................... SEM= ..............................
R
d
[k
Ω
]
0
100
200
300
400
500
600
800 1000 1500
f=1kHz
Z
we
= .............
U
m
[V]
f=20kHz
Z
we
= .............
U
m
[V]
woltomierz typ ................... SEM= ..............................
R
d
[k
Ω
]
0
100
200
300
400
500
600
800 1000 1500
f=1kHz
Z
we
= .............
U
m
[V]
f=20kHz
Z
we
= .............
U
m
[V]
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 U
m
) w funkcji
stosunku R
w
/
Z
we
, gdzie R
w
=R
d
+600
Ω
(lub R
w
=R
d
+50
Ω
) 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 R
w
był nie
większy niż o 10%. Wyciągnąć wnioski co do wpływu częstotliwości mierzonego napięcia na wymaganą
wartość impedancji wejściowej woltomierza.
Badany
woltomierz
Generator
pomiarowy
R
d
R
w.gen.
−
+
6
4. WPŁYW KSZTAŁTU MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU
4.1. Układ pomiarowy
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. SEM
p-p
=6V przy zmianie kształtu napięcia za pomocą
dołączonego oscyloskopu.
typ woltomierza
rodzaj przetwornika AC/DC
α
[V]
U
ś
r
[V]
U
sk
[V]
napięcie sinusoidalne
współcz. kształtu k
k
=1.11
współcz. szczytu k
a
=1.41
U
szczyt
[V]
α
[V]
U
ś
r
[V]
U
sk
[V]
napięcie trójkątne
współcz. kształtu k
k
=1.15
współcz. szczytu k
a
=1.732
U
szczyt
[V]
α
[V]
U
ś
r
[V]
U
sk
[V]
napięcie prostokątne
współcz. kształtu k
k
=1
współcz. szczytu k
a
=1
U
szczyt
[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.
Oscyloskop
Badany
woltomierz
1
Generator
funkcji
Badany
woltomierz
2
7
5. POMIARY NAPIĘCIA OKRESOWEGO METODAMI OSCYLOSKOPOWYMI
5.1. Metoda porównawcza (metoda podstawiania).
5.1.1. Układy pomiarowe
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.
U
w p-p
=U
x
U
x
CH1
Generator
pomiarowy
Oscyloskop
U
Generator
napięcia
wzorcowego
Woltomierz
elektroniczny
Krok 2
U
Generator
napięcia
wzorcowego
Woltomierz
elektroniczny
Generator
pomiarowy
Oscyloskop
Krok 3
CH1
Generator
pomiarowy
Oscyloskop
U
Generator
napięcia
wzorcowego
Woltomierz
elektroniczny
Krok 1
8
a) Pomiar napięcia w.cz.
U
x p-p
= ……………..[V]
f
MHz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
H
dz
U
m.cz.
V
U
w.cz.
V
Oznaczenia:
U
x p-p
= const. – wartość międzyszczytowa napięcia w.cz. ustawiona na generatorze pomiarowym,
H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe),
U
m.cz
– wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem,
U
w.cz.
= U
m.cz
– zmierzona wartość skuteczna badanego napięcia w.cz.
b) Pomiary napięć odkształconych
U
x p-p
= ……………..[V]
Kształt napięcia
H
dz
U
m.cz.
V
U
x zm.
V
Oznaczenia:
U
x p-p
= const. – wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,
H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe),
U
m.cz
– wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem,
U
x zm.
= U
m.cz
⋅
2
2
– zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.
5.2. Metoda przesunięcia pionowego (zastosowanie trybu pracy ADD oscyloskopu)
5.2.1. Układ pomiarowy
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 (D
Y1
= D
Y2
).
Przełącznik
rodzaju pracy
w położeniu:
ADD
U
CH1
CH2
Oscyloskop
Generator
pomiarowy
Zasilacz
napięcia
stałego
9
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: U
x p-p
= U
=
.
a) Pomiar napięcia w.cz.
U
x
= ……………..[V
p-p
]
f
MHz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U
=
V
U
x p-p
V
U
x sk.
V
Oznaczenia:
- U
x
= const.
−
wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,
- U
=
−
wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,
- U
x p-p
= U
=
−
zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia
2
2
.
p
xp
xsk
U
U
−
=
−
wartość skuteczna badanego napięcia
b) Pomiary napięć odkształconych
U
x
= ……………..[V
p-p
]
Kształt napięcia
U
=
V
U
x p-p
V
Oznaczenia:
- U
x
= const.
−
wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,
- U
=
−
wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,
- U
x p-p
= U
=
−
zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.
Krok 1
Krok 2
Krok 3
10
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.