Ćwiczenie nr 3
POMIARY PRĄDÓW I NAPIĘĆ
SINUSOIDALNYCH I ODKSZTAŁCONYCH
Cel ćwiczenia: zapoznanie ze sposobami pomiarów wartości skutecznych, średnich wyprostowanych i maksymalnych dla napięć i prądów przemiennych.
Program ćwiczenia:
Pomiar parametrów przebiegów napięcia o znanym kształcie (dla różnych kształtów i amplitud),
obserwacja działania toru pomiarowego do pomiaru wartości skutecznej.
pomiar za pomocą przyrządów do pomiarów napięć zmiennych (przyrząd z prostownikiem, przyrząd mierzący „prawdziwą wartość skuteczną”, przyrząd mierzący metodą prostownika szczytowego i metodą średniej pochodnej)
porównanie charakterystyk częstotliwościowych przyrządów mierzących wartość skuteczną
Pomiary parametrów przebiegów napięcia dla nieznanego kształtu, porównanie wskazań różnych przyrządów dla różnych zniekształceń.
Pomiary prądu zmiennego dla nieznanego kształtu przebiegu, porównanie wskazań dla różnych sposobów pomiaru.
Zakres wymaganych wiadomości:
1. Definicja parametrów przebiegów okresowych (wartość średnia, średnia wyprostowana, skuteczna, maksymalna, współczynniki kształtu, szczytu, wypełnienia).
2. Zasada budowy i podstawowe własności przyrządów służących do pomiaru poszczególnych wartości sygnałów. Oznaczenia na podzielniach.
3. Układy realizujące przetwarzanie sygnałów: prostownik liniowy, prostownik szczytowy, kwadrator.
4. Pomiar wartości maksymalnej metodą średniej pochodnej.
5. Metoda wyznaczania charakterystyk statycznych czwórników przy użyciu oscyloskopu.
Literatura:
[1] Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej; WNT Warszawa 1984
[2] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna; WNT Warszawa 1994
[3] Zatorski A., Rozkrut A.: Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych; Skrypt AGH, nr 1190/1990r., 1334/1992r., 1403/1994r.
[4] Jellonek A., Gąszczak J., Orzeszkowski Z., Rymaszewski R.: Podstawy metrologii elektrycznej i elektronicznej; PWN Warszawa 1980.
Instrukcja realizacji ćwiczenia:
Objaśnienia:
Źródłem napięć mierzonych Ux w punkcie 1 jest układ:
1.a. Obserwacja działania toru pomiarowego do pomiaru wartości skutecznej.
V1 - woltomierz elektromagnetyczny klasy 0.2 (zakres 7,5[V])
V2 - multimetr V560 (zakres 10[V], praca stałonapięciowa)
Osc - oscyloskop
Zagadnienia:
Obserwacja działania poszczególnych elementów toru pomiarowego na ekranie oscyloskopu. Wewnętrzna podstawa czasu.
Obserwacja charakterystyk statycznych poszczególnych bloków toru. Praca XY oscyloskopu. Zalecana częstotliwość generatora 100[Hz].
Punkt opcjonalny: wyznaczanie współczynników przetwarzania bloków prostownik-kwadrator i filtr dolnoprzepustowy-układ pierwiastkujący. Wspólczynniki przetwarzania określa się metodą regresji liniowej na podstawie wielokrotnych pomiarów napięć stałych na wejściach (x1, x2) i wyjściach (y1, y2) bloków przy różnych napięciach wejściowych oraz równań:
y1=a*x12;
y2=b*sqrt(x2).
Napięcie wejściowe należy zadawać z układu zasilacz 5[V]-opornica w układzie dzielnika.1.b. Pomiar za pomocą przyrządów do pomiarów napięć zmiennych
V1 - przyrząd mierzący wartość średnią wyprostowaną (multimetr V560 na zakresie zmiennonapięciowym lub przyrząd magnetoelektryczny z prostownikiem),
V2 - przyrząd mierzący „prawdziwą wartość skuteczną” (multimetr TRUE RMS lub woltomierz wartości skutecznej lub woltomierz elektromagnetyczny),
U1 - układ mierzący wartość maksymalną (prostownik szczytowy z multimetrem V560),
U2 - układ mierzący wartość międzyszczytową (metoda średniej pochodnej z miliamperomierzem magnetoelektrycznym). Jest to element opcjonalny, nie wykorzystywany w wyznaczaniu parametrów sygnału.
Osc - oscyloskop
Zagadnienia:
Pomiar dla różnych kształtów sygnału okresowego (prostokątny, trójkątny, sinusoidalny), dla różnych jego amplitud (np. 5 i 10[V]) i dla różnych częstotliwości (50 i 1000[Hz]). Oscyloskop służy do kontroli kształtu sygnału. Celem pomiarów jest doświadczalne wyznaczenie wpółczynników kształtu, szczytu i wypełnienia dla zadanych sygnałów.
1.c. Porównanie charakterystyk częstotliwościowych przyrządów mierzących wartość skuteczną
V1 - woltomierz elektromagnetyczny, kl. 0.2,
V2 - woltomierz mierzący „prawdziwą wartość skuteczną” (multimetr TRUE RMS),
U1 - tor prostownik-kwadrator-filtr-układ pierwiastkujący.
Zagadnienia:
Pomiar wartości skutecznej sygnału sinusoidalnego dla różnych częstotliwości (od 10 do 3000[Hz]). Celem pomiarów jest określenie pasma częstotliwościowego każdego z przyrządów.
2. Pomiary parametrów przebiegów napięcia dla nieznanego kształtu.
V1 - przyrząd mierzący wartość średnią wyprostowaną napięcia (multimetr V560 lub przyrząd magnetoelektryczny z prostownikiem),
V2 - przyrząd mierzący wartość skuteczną (multimetr TRUE RMS lub woltomierz elektromagnetyczny na zakresie 300[V]),
U1 - układ mierzący wartość maksymalną (prostownik szczytowy z kondensatorem 1[uF], 400[V] i multimetrem V560),
Osc - oscyloskop włączany w obwód przez sondę 1:10. Masę oscyloskopu połączyć z wyprowadzeniem 0 ściemniacza.
Zagadnienia:
pomiar parametrów napięcia sieci Usk, Uśr wypr, Umax, dla obwodu bez ściemniacza (żarówka włączona bezpośrednio do sieci). Wyznaczanie współczynników kształtu, szczytu i wypełnienia.
pomiary parametrów napięcia odkształconego na żarówce (Usk, Uśr wypr, Umax,) dla obwodu ze ściemniaczem. Ocena jakości przebiegu (kształtu) za pomocą oscyloskopu. Pomiary należy wykonać dla małego i dużego odkształcenia. Wyznaczanie współczynników kształtu, szczytu i wypełnienia.
3. Pomiary prądu zmiennego dla nieznanego kształtu przebiegu.
A1 - amperomierz do pomiaru wartości średniej wyprostowanej prądu zmiennego (multimetr V560),
A2 - amperomierz mierzący wartość skuteczną (elektromagnetyczny tablicowy, zakres 250mA),
A3 - amperomierz mierzący wartość skuteczną (elektromagnetyczny na zakresie 5A),
P - przekładnik prądowy (przekładnia 1:5),
V - multimetr TRUE RMS,
LEM - czujnik prądowy,
Osc - oscyloskop (włączany bezpośrednio, bez sondy 1:10).
Zagadnienia:
pomiar parametrów prądu żarówki dla przebiegów nieodkształconych (żarówka włączona bezpośrednio do sieci): Isk, Iśr wypr, Imax. Wyznaczenie współczynników kształtu, szczytu i wypełnienia. (UWAGA: pomiar Imax nie jest możliwy)
pomiary dla prądów odkształconych: Isk, Iśr wypr, Imax. Wyznaczenie parametrów ks, kk, kn sygnału prądu. Porównanie pomiaru prądu skutecznego z użyciem przekładnika i układu LEM.
ocena wpływu pasma przenoszenia zestawu przekładnik-A3 z zestawem LEM-multimetr TRUE RMS dla dużych zniekształceń, np. kąt zapłonu bliski 900.
Spis przyrządów
1. Tor do pomiaru wartości skutecznej wg definicji (prostownik, kwadrator, filtr dolnoprzepustowy, układ pierwiastkujący),
2. Multimetr wskazówkowy typu UM-3a,
3. Multimetr V560 (2 szt.),
4. Woltomierz elektromagnetyczny typu PE-2 (klasa 0.2),
5. Woltomierz elektromagnetyczny typu LE-1,
6. Multimetr TRUE RMS,
7. Amperomierz elektromagnetyczny typu LE-1,
8. Miliamperomierz elektromagnetyczny tablicowy o zakresie 250[mA],
9. Zestaw do pomiaru wartości maksymalnej z prostownikiem szczytowym (płyta zawierająca 3 kondensatory i diodę prostowniczą),
10. Oscyloskop typu DT6650
11. Przekładnik prądowy wieloprzekładniowy,
12. Czujnik prądowy typu LEM LA-25,
13. Ściemniacz tyrystorowy,
14. Generator przebiegów okresowych o regulowanej częstotliwości typu G432,
15. Zasilacz do toru pomiaru wartości skutecznej o napięciu symetrycznym 25[V],
16. Wzmacniacz stałoprądowy do toru pomiaru wartości skutecznej,
17. Transformator ~6[V] (zasilanie oświetlenia skali woltomierza PE-2).