1997/98	LABORATORIUM Z MIERNICTWA
nr ćw. 2	Temat : Pomiary oporności, indukcyjności i pojemności z wykorzystaniem mostków prądu zmiennego.
ELEKTRONIKA gr 3.f	Grzegorz Dys Mirosław Kurlandt
Data wykonania:	DATA			OCENA	PODPIS
11.03.98	T
	S

1. Cel ćwiczenia oraz podstawowe wiadomości teoretyczne.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pomiarami składowych impedancji elektrycznej, a także z wykorzystaniem mostków prądu zmiennego do pomiarów rezystancji, pojemności i indukcyjności oraz z budową i działaniem wybranych układów mostkowych.

Mostkami nazywa się układy w których wykorzystuje się zerową metodę pomiaru. W jednej gałęzi mostka znajduje się znajduje się zawsze obiekt, natomiast pozostałe gałęzie zawierają wzorce.

Rysunek pokazuje ogólną postać mostka prądu zmien­nego, bez wyróżnionych składowych poszczególnych gałęzi mostka. Równania określające warunek równo­wagi mostka mają następującą postać:

przy przedstawieniu impedancji zespolonych w postaci wykładniczej:
Rozdzielenie i przyrównanie do siebie składowych rezystancji R i reaktancji X w przy­padku przyjęcia szeregowych układów za­stępczych dla wszystkich impedancji daje dwa równania:

R₁R₃ - R₂R₄ = X₁X₃ - X₂X₄

X₁R₃ - X₂R₄ = X₄R₂ - X₃R₁

Dla uzyskania możliwie dużej dokładności, dla mostka o dowolnej budowie, konieczne jest, aby wskaźnik napięcia na przekątnej wykazywał dostateczną czułość. Warunki równowagi nie­któ­rych mostków zależą często od częstotliwości. Na warunki równowagi mostka wpływają także siły elektromotoryczne indu­kowane z zewnątrz w obiekcie mierzonym. Dlatego czułe wskaźniki układów mostkowych powinny mieć również odpowiednią selektywność. Wskaźniki współpracujące z mostkami m.cz. najczęściej są zbu­dowane jako wzmacniacze elektroniczne, na wyjściach których znajdują się układy prostownicze i wskaźniki magnetoelektryczne. Układ zawiera często ogranicznik amplitudy napięcia doprowadzo­nego do wskaźnika końcowego, który w ten sposób jest ochraniany przed dużymi przeciążeniami, jakie mogłyby wystąpić w razie nagłego rozstrojenia mostka.

2. Spis aparatury pomiarowej.

• generator przebiegów sinusoidalnych

• oscyloskop dwukanałowy

• dwie dekady pojemnościowe

• dwie dekady oporowe

• elementy badane: R, L, C

3. Przebieg ćwiczenia.

Z dostępnych w pracowni elementów zestawiliśmy układ mostka Wiena. Służy on do pomiaru pojemności szeregowej. Układ składa się z kondensatora C₁, dwóch rezystorów dekadowych R₁ i R₃ oraz rezystora wzorcowego R₂. Z zewnątrz dołącza się obiekt badany C_X, źródło napięcia przemiennego o częstotliwości f oraz oscyloskop.

Przy pobudzeniu sygnałem sinusoidalnym na ekranie oscyloskopu uzyskaliśmy:

Obraz ten bardzo nas ucieszył, ponieważ odcinek o nachyleniu 45⁰ oznacza że mostek jest idealnie zrównoważony. Niemniej jednak nasz entuzjazm znacznie opadł, gdy przy próbach rozstrojenia mostka obraz na oscyloskopie pozostawał niezmienny. Pewne efekty dawała regulacja rezystancjami:

Natomiast zmiany pojemności nie wpływały w żaden sposób na obraz na ekranie oscyloskopu. Z początku nasze podejrzenia padły na przewody połączeniowe ale po dokładnym sprawdzeniu połączeń nic się nie zmieniło. Następnie zamieniliśmy miejscami generator z oscyloskopem - znowu bez żadnego skutku. Potem wymienialiśmy kolejno dekady pojemnościowe oraz oscyloskop. Na końcu zmontowaliśmy cały układ jeszcze raz.

4. Wnioski

Po przemyśleniu całej sprawy w domu i sugestii prowadzącego doszliśmy do wniosku, że źródłem naszych niepowodzeń było złe dobranie elementów. Wartość reaktancji była zbyt mała w stosunku do rezystancji i w związku z tym zmiany pojemności nie miały zauważalnego wpływu na pracę układu. Stosowane przez nas rezystancje były rzędu kiloomów a pojemności około jednego mikrofarada.

Wnioskiem, który wynieśliśmy z ćwiczenia było, że mostek nie powinien być zasilany napięciem o zbyt niskich często­tli­wościach. Głównie z tego względu, a także ze względu na trudności przy obserwacji ni­skich częstotliwości na ekranie oscyloskopu wskazane jest aby układ mostka był zasilany trochę wyższymi częstotliwościami. Zbyt duże wartości częstotliwości napięcia zasilającego mostek także nie są wskazane ze względu na to, że przy tych wartościach reaktancja pojemności C₁ i C_x w szeregowych gałęziach mostka przybiera coraz mniejszą wartość i w końcu, przy pewnej częstotli­wości granicznej, można potraktować elementy C₁ i C_x jako zwarcie.

Po nieudanym ćwiczeniu dostaliśmy zadanie domowe - sprawdzić w literaturze jak będzie się zachowywał badany przez nas układ przy pobudzeniu sygnałem prostokątnym. Ponieważ po przejrzeniu dostępnych mi pozycji nie znalazłem opisu tej metody, postanowiłem wykonać odpowiednią symulację na programie SPICE:

Obraz otrzymany dla mostka niezrównoważonego pobudzanego przebiegiem:

a) sinusoidalnym b) prostokątnym

Wyniki tej analizy mi pozwalały na jednoznaczne stwierdzenie co pojawi się na ekranie oscyloskopu ze względu na inną naturę programu PROBE i ekranu oscyloskopu.

Po dalszych poszukiwaniach w literaturze znalazłem opis, że przy pobudzeniu przebiegiem prostokątnym powinniśmy otrzymać dwie kropki w miejscach gdzie znajdował się początek i koniec odcinka przy pobudzeniu sinusoidalnym:

A w przypadku niezrównoważenia:

4

---