POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

___________________________________________________________

Laboratorium Miernictwa Elektrycznego

Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

ć

wiczenie nr 1

Opracował dr in

ż

. Ryszard Piotrowski

Białystok 1998

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

1

1. Wprowadzenie

elem

ć

wiczenia

jest

zapoznanie

studentów

z

wła

ś

ciwo

ś

ciami

pomocniczego sprz

ę

tu pomiarowego, który b

ę

dzie u

ż

ywany przez nich w

trakcie

ć

wicze

ń

laboratoryjnych z Metrologii. W instrukcji tej zawarte s

ą

opisy, obja

ś

nienia, wskazówki i pytania kontrolne dotycz

ą

ce najwa

ż

niejszych

urz

ą

dze

ń

obj

ę

tych wspólnym okre

ś

leniem „pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy”.

Pozwala ono słuchaczom pozna

ć

zasady posługiwania si

ę

tymi urz

ą

dzeniami w

sposób wła

ś

ciwy i bezpieczny w trakcie odbywania

ć

wicze

ń

laboratoryjnych w

semestrach III i IV.

Cz

ęść

I

2.

Ź

ródła zasilania stosowane w laboratorium

W laboratorium Metrologii stosowane s

ą

nast

ę

puj

ą

ce

ź

ródła zasilaj

ą

ce

układy pomiarowe:

•

zasilacze stabilizowane

•

autotransformatory laboratoryjne

•

napi

ę

cia sieci przemysłowej 220V/ 380V

•

akumulatory

2.1. Zasilacze stabilizowane

S

ą

to najcz

ę ś

ciej u

ż

ywane w Laboratorium

ź

ródła napi

ę

cia stałego. Ich

zadaniem jest:

dostarczanie napi

ę ć

stałych o płynnie regulowanych warto

ś

ciach

stabilizacja nastawionej przez u

ż

ytkownika warto

ś

ci napi

ę

cia

samoczynne ograniczanie pr

ą

du pobieranego przez układ

pomiarowy

stabilizacja warto

ś

ci pr

ą

du wydawanego przez zasilacz na

poziomie nastawionym przez u

ż

ytkownika

C

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

2

W Laboratorium wyst

ę

puje kilka typów zasilaczy stabilizowanych

ró

ż

ni

ą

cych si

ę

wygl

ą

dem zewn

ę

trznym, parametrami elektrycznymi (napi

ę

ciem i

pr

ą

dem maksymalnym), rozmieszczeniem elementów regulacyjnych, itp.,

wszystkie one jednak maj

ą

podstawowe cechy wspólne i wypełniaj

ą

te same,

wymienione wy

ż

ej funkcje.

Przebieg

ć

wiczenia z zasilaczem stabilizowanym

Identyfikacja elementów umieszczonych na płycie czołowej zasilacza

stabilizowanego

•

Wska

ż

regulator skokowej regulacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

•

Wska

ż

regulator płynnej regulacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

•

Wska

ż

lampk

ę

sygnalizacyjn

ą

i towarzysz

ą

cy jej napis „constant

voltage”. Jej

ś

wiecenie oznacza,

ż

e zasilacz jest w stanie stabilizacji

napi

ę

cia.

•

Wska

ż

lampk

ę

sygnalizacyjn

ą

i towarzysz

ą

cy jej napis „constant

current”. Jej

ś

wiecenie oznacza,

ż

e zasilacz jest w stanie stabilizacji

pr

ą

du.

•

Wska

ż

regulator skokowej regulacji pr

ą

du wyj

ś

ciowego

•

Wska

ż

regulator płynnej regulacji pr

ą

du wyj

ś

ciowego

•

Wska

ż

zaciski wyj

ś

ciowe zasilacza

Uwaga:

Zacisk plusowy tworz

ą

dwa umieszczone blisko siebie zaciski

laboratoryjne, zwarte w stanie normalnej pracy przy pomocy specjalnej płytki
zwieraj

ą

cej. W analogiczny sposób utworzony jest zacisk minusowy zasilacza.

Te podwójne zaciski poszczególnych biegunów zasilacza rozwierane s

ą

tylko w

czasie serwisowych pomiarów kontrolnych. Cz

ę

stym problemem wyst

ę

pu-

j

ą

cym w trakcie

ć

wicze

ń

jest, zgłaszana przez studentów niestabilna praca

zasilacza. Wynika ona z niestarannego dokr

ę

cenia przez nich wspomnianych

wy

ż

ej zacisków i braku pewnego poł

ą

czenia ich przez płytk

ę

.

Pi

ą

tym zaciskiem, jaki napotka

ć

mo

ż

e u

ż

ytkownik jest zacisk poł

ą

czony

z metalow

ą

obudow

ą

zasilacza, cz

ę

sto mylony z zaciskiem minusowym.

Zwró

ć

my uwag

ą

na to,

ż

e jest on oznaczony znakiem uziemienia. W

ć

wiczeniach

wykonywanych w Laboratorium Metrologii nie jest on zwykle u

ż

ywany.

Zapoznaj si

ę

z funkcjami wbudowanego do zasilacza miernika

wskazówkowego. W zasilaczu mo

ż

e wyst

ę

powa

ć

miernik uniwersalny pełni

ą

cy

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

3

funkcj

ę

woltomierza albo amperomierza, zale

ż

nie od wyboru dokonanego przez

u

ż

ytkownika. W tym przypadku dost

ę

pny jest przeł

ą

cznik, przy pomocy którego

dokonuje si

ę

tego wyboru. W pewnym typie zasilaczy przeł

ą

czanie funkcji

miernika dokonuje si

ę

samoczynnie według nast

ę

puj

ą

cej zasady. Gdy zasilacz

znajduje si

ę

w stanie stabilizacji napi

ę

cia, przyrz

ą

d przeł

ą

cza si

ę

na amperomierz

mierz

ą

cy pr

ą

d pobierany z zasilacza, gdy za

ś

zasilacz pracuje w stanie

stabilizacji pr

ą

du przyrz

ą

d przeł

ą

cza si

ę

na woltomierz mierz

ą

cy napi

ę

cie na

zaciskach wyj

ś

ciowych. W tego typu zasilaczach u

ż

ytkownik nie ma swobody

wyboru rodzaju pracy przyrz

ą

du pomiarowego.

Regulatory napi

ę

cia

Regulatory te (istniej

ą

dwa regulatory: do regulacji skokowej i płynnej)

słu

ż ą

do nastawiania

ż ą

danej warto

ś

ci napi

ę

cia wyj

ś

ciowego zasilacza, która

musi by

ć

utrzymywana na niezmienionym poziomie w czasie trwania pomiarów.

Przykładem mo

ż

e tu by

ć

stała warto

ś ć

napi

ę

cia, podana przez wytwórc

ę

, jakim

powinien by

ć

zasilany mostek Wheatstone’a. Nastawiona warto

ś ć

napi

ę

cia jest

utrzymywana niezale

ż

nie od zmian nat

ęż

enia pr

ą

du pobieranego z zasilacza (rys.

2), w granicach od zera do warto

ś

ci granicznej I

ogr

nastawionej przez

u

ż

ytkownika przy pomocy regulatorów pr

ą

du (patrz nast

ę

pny punkt „regulatory

pr

ą

du”)

Regulatory pr

ą

du

Słu

ż ą

do nastawiania granicznej warto

ś

ci pr

ą

du I

ogr

, powy

ż

ej której

zasilacz nie pozwoli si

ę

obci

ą ż

y

ć

, a jednocze

ś

nie nie dopu

ś

ci do przeci

ą ż

enia

pr

ą

dowego zasilanego przez siebie układu. Przy próbie obci

ą ż

enia go pr

ą

dem

wi

ę

kszym ni

ż

I

ogr

(przez zmniejszenie rezystancji obci

ą ż

aj

ą

cej R

o

poni

ż

ej

warto

ś

ci R

ogr

), samoczynnie obni

ż

a swoje napi

ę

cie wyj

ś

ciowe, w skrajnym

wypadku (przy zwarciu zacisków wyj

ś

ciowych) a

ż

do zera (rys. 3).

Charakterystyki zewn

ę

trzne zasilacza

Podstawow

ą

charakterystyk

ą

zewn

ę

trzn

ą

zasilacza jest zale

ż

no

ś ć

napi

ę

cia

wyj

ś

ciowego U

wy

od pr

ą

du wyj

ś

ciowego I

o

. Zale

ż

no

ś ć

t

ę

przedstawia rysunek 2.

Jak widzimy, napi

ę

cie wyj

ś

ciowe U

wy

nie zmienia swojej warto

ś

ci przy

zwi

ę

kszaniu si

ę

pr

ą

du I

o

pobieranego z zasilacza, a

ż

do chwili gdy osi

ą

gnie on

warto

ś ć

graniczn

ą

I

ogr

. Przy próbie dalszego zwi

ę

kszenia tego pr

ą

du (przez

zmniejszenie rezystancji obci

ą ż

aj

ą

cej), zasilacz samoczynnie obni

ż

a swoje

napi

ę

cie do zera. W rzeczywisto

ś

ci napi

ę

cie U

wy

nie opada tak gwałtownie jak

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

4

przedstawia to charakterystyka teoretyczna, na co maj

ą

wpływ wła

ś

ciwo

ś

ci

układów elektronicznych zasilacza.

Zwró

ć

my uwag

ę

,

ż

e stabilizuj

ą

c napi

ę

cie, zasilacz wykazuje w pewnym

zakresie pr

ą

du I

o

wła

ś

ciwo

ś ć

idealnego

ź

ródła napi

ę

ciowego.

V

U

wy

R

o

I

o

ZS

A

Rys.1. Układ do zdejmowania charakterystyk zewn

ę

trznych zasilacza

U

wy

I

o

I

ogr

0

Rys. 2. Charakterystyka zewn

ę

trzna

zasilacza U

wy

= f(I

o

)

U

wy

R

ogr

R

o

0

Rys. 3. Charakterystyka zewn

ę

trzna

zasilacza U

wy

= f(R

o

)

Na rysunku 3. przedstawiona jest jeszcze inna charakterystyka zewn

ę

-

trzna zasilacza: U

wy

= f(R

o

), gdzie R

o

oznacza rezystancj

ę

zast

ę

pcz

ą

obwodu

obci

ąż

aj

ą

cego zasilacz. Zmniejszaniu si

ę

rezystancji R

o

odpowiada wzrost pr

ą

du

I

o

na rysunku 2. Rezystancji R

o

= 0 odpowiada zwarcie zacisków wyj

ś

ciowych

zasilacza, na co reaguje on samoczynnym obni

ż

eniem napi

ę

cia do zera.

W miar

ę

wzrostu warto

ś

ci rezystancji R

o

napi

ę

cie U

wy

liniowo wzrasta,

oznacza to,

ż

e w tym zakresie warto

ś ć

pr

ą

du utrzymywana jest na stałym

poziomie.

Istotnie, zauwa

ż

my,

ż

e U

wy

= I

o

R

o

, pr

ą

d I

o

jest wi

ę

c współczynnikiem

proporcjonalno

ś

ci (ma wi

ę

c warto

ś ć

stał

ą

) liniowej funkcji U

wy

= f(R

o

).

W rozpatrywanym zakresie pracy zasilacz wykazuje wi

ę

c wła

ś

ciwo

ś ć

idealnego

ź

ródła pr

ą

dowego.

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

5

Gdy rezystancja R

o

rosn

ą

c, przekroczy warto

ś ć

graniczn

ą

R

ogr

, zasilacz

wchodzi w zakres stabilizacji napi

ę

cia, który utrzymuje si

ę

a

ż

do warto

ś

ci

R

o

→∞

. Ta skrajnie du

ż

a warto

ś ć

R

o

oznacza oczywi

ś

cie rozwarcie zacisków

zasilacza.

Przykładem wykorzystania stabilizacji pr

ą

du wyj

ś

ciowego s

ą

pomiary

rezystancji du

ż

ej liczby rezystorów o zbli

ż

onych rezystancjach metod

ą

techniczn

ą

. Wystarczy w tym przypadku przył

ą

cza

ć

te rezystory do zacisków

wyj

ś

ciowych zasilacza i mierzy

ć

na nich tylko spadki napi

ę ć

, bowiem nat

ę ż

enie

pr

ą

du ma za ka

ż

dym razem jednakow

ą

warto

ś ć

ustalon

ą

i zmierzon

ą

na

pocz

ą

tku pomiaru.

Na koniec nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

na fakt, i

ż

zasilacz samoczynnie zmienia

tryb swojej pracy zale

ż

nie od stanu obwodu przył

ą

czonego do jego zacisków. W

trakcie

ć

wiczenia zdarza si

ę

niekiedy,

ż

e niezauwa

ż

alnie, zasilacz przechodzi w

stan stabilizacji pr

ą

du, co uniemo

ż

liwia jego regulacj

ę

poprzez zmian

ę

napi

ę

cia.

W takiej sytuacji

ć

wicz

ą

cy w celu kontynuowania pomiarów, powinni przy

pomocy regulatorów pr

ą

du zwi

ę

kszy

ć

warto

ś ć

pr

ą

du granicznego I

ogr

,

o ile jest

to mo

ż

liwe z punktu widzenia dopuszczalnego pr

ą

du zasilanego obwodu

elektrycznego.

Zdejmowanie charakterystyk zewn

ę

trznych

zasilacza

Nale

ż

y zdj

ąć

charakterystyki zewn

ę

trzne; U

wy

=f(I

o

) oraz U

wy

=(R

o

) w

układzie, którego schemat przedstawiony jest na rysunku 1., u

ż

ywaj

ą

c

nast

ę

puj

ą

cego sprz

ę

tu laboratoryjnego.

•

ZS -zasilacz stabilizowany typu ZT-980- 3

•

V - woltomierz magnetoelektryczny typu LM-3 o zakresie 15 V

•

A - miliamperomierz magnetoelektryczny typu LM-3 o zakresie 30 mA

•

R

o

- rezystor dekadowy typu DR6-16 (sze

ś

ciodekadowy)

Kolejno

ść

czynno

ś

ci

1.

Nastaw R

o

= 100 k

Ω

,

2.

Przy pomocy regulatorów napi

ę

cia nastaw U

wy

= 10V, gdyby nie mo

ż

na było

osi

ą

gn

ąć

tej warto

ś

ci, zwi

ę

ksz pr

ą

d graniczny przy pomocy regulatora pr

ą

du

a

ż

do zga

ś

ni

ę

cia czerwonej lampki sygnalizacyjnej

3.

Nastaw teraz R

o

= 0

Ω

,

4.

Przy pomocy regulatora pr

ą

du nastaw I

o

=30 mA,

5.

Zdejmij charakterystyk

ę

zewn

ę

trzn

ą

zasilacza. W tym celu zwi

ę

kszaj

stopniowo rezystancj

ę

R

o

tak, aby otrzymywa

ć

kolejno, wskazane w

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

6

Tablicy 1 warto

ś

ci napi

ę ć

, a pó

ź

niej, gdy zasilacz przejdzie w stan

stabilizacji napi

ę

cia - wskazane warto

ś

ci pr

ą

du

6.

Znajd

ź

do

ś

wiadczalnie najwi

ę

ksz

ą

warto

ść

rezystancji R

o

, dla której

zasilacz pracuje jeszcze w stanie stabilizacji pr

ą

du oraz najmniejsz

ą

warto

ść

rezystancji R

o

, przy której zasilacz jeszcze stabilizuje napi

ę

cie.

Tablica 1

R

o

Ω

0

U

wy

V

0

2

4

6

8

10

I

o

mA 30

25

20

15

10

5

0

W sprawozdaniu nale

ż

y

: Wykre

ś

li

ć

charakterystyki:

U

wy

= f

1

(R

o

)

I

o

= f

2

(R

o

)

2.2. Autotransformatory laboratoryjne

Autotransformator jest urz

ą

dzeniem elektrycznym o jednym tylko

uzwojeniu, pełni

ą

cym jednocze

ś

nie rol

ę

uzwojenia pierwotnego i wtórnego

(rys.4)

W autotransformatorze laboratoryjnym napi

ę

cie wtórne mo

ż

e by

ć

stosunkowo płynnie regulowane w zakresie od zera do 125V albo 250V.

Na rysunku 4. pokazano trzy charakterystyczne poło

ż

enia suwaka, którym

odpowiadaj

ą

napi

ę

cia wyj

ś

ciowe U

wy

: a) mniejsze od napi

ę

cia zasilaj

ą

cego U

1

,

b) równe napi

ę

ciu U

1

, c) wi

ę

ksze od napi

ę

cia U

1

.

Autotransformator laboratoryjny stosowany jest w dwóch nast

ę

puj

ą

cych

przypadkach. Po pierwsze wtedy, gdy zachodzi potrzeba płynnej regulacji
napi

ę

cia w celu zdj

ę

cia charakterystyki pr

ą

dowo-napi

ę

ciowej jakiego

ś

obiektu

(np. transformatora, dławika, termistora, itp.). Po wtóre, gdy badany obiekt musi
by

ć

zasilany swoim napi

ę

ciem znamionowym. Przykładem mo

ż

e tu by

ć

pomiar

sprawdzaj

ą

cy rzeczywist

ą

moc znamionow

ą

ż

arówki, podan

ą

przez wytwórc

ę

.

Poniewa

ż

warto

ść

napi

ę

cia sieci nie jest na ogół dokładnie równa 220V,

wspomniany pomiar nie mo

ż

e by

ć

dokonany przez bezpo

ś

rednie wł

ą

czenie do

niej badanej

ż

arówki. Autotransformator umo

ż

liwia w tym wypadku zasilenie jej

podczas

pomiaru

mocy

napi

ę

ciem

dokładnie

równym

jej

napi

ę

ciu

znamionowemu.

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

7

U

wy

>

220V

U

wy

=220V

U

wy

<

220V

∼

U

1

=220V

Rys.4. Zasada regulacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego (wtórnego) autotransformatora

Autotransformatory, z jakimi studenci spotkaj

ą

si

ę

w Laboratorium, maj

ą

cztery pary zacisków wyj

ś

ciowych, umo

ż

liwiaj

ą

cych jednoczesne przył

ą

czenie

czterech ró

ż

nych odbiorników i niezale

ż

n

ą

regulacj

ę

napi

ę

cia dla ka

ż

dego z nich.

Dwie pary zacisków dostarczaj

ą

maksymalnego napi

ę

cia 125V, dwie inne

napi

ę

cia maksymalnego 250V. Ł

ą

czna warto

ś ć

pr

ą

du pobieranego z tych

czterech wyj

ś ć

nie mo

ż

e przekroczy

ć

warto

ś

ci I

max

=10 A. Maksymalna moc

pozorna autotransformatora jest równa iloczynowi skutecznej warto

ś

ci

maksymalnego

pr

ą

du

i

maksymalnego

napi

ę

cia,

wynosi

wi

ę

c:

S

n

=

250V

∗

10A=2500VA. St

ą

d oznaczenie tego urz

ą

dzenia: AL2500.

2.3. Sie

ć

przemysłowa 220V/380V

Jedynie w nielicznych przypadkach w Laboratorium Metrologii układ

pomiarowy jest zasilany bezpo

ś

rednio z sieci przemysłowej, to znaczy bez

po

ś

rednictwa urz

ą

dze

ń

regulacyjnych, prostowniczych czy stabilizacyjnych. W

tych przypadkach stosuje si

ę

trójbiegunowe odł

ą

czniki no

ż

owe o osłoni

ę

tych

cz

ęś

ciach przewodz

ą

cych, oddzielaj

ą

ce układ badany od laboratoryjnej tablicy

rozdzielczej.

2.4. Akumulatory

Akumulator jest

ź

ródłem, dostarczaj

ą

cym napi

ę

cia doskonale stałego, to

znaczy całkowicie pozbawionego pulsacji pochodz

ą

cych na przykład od układów

prostownikowych. Jest jednak

ź

ródłem nieregulowanym, co ogranicza jego

zastosowanie w pomiarach laboratoryjnych.

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

8

Akumulatory stosowane s

ą

przede wszystkim w tych przypadkach, gdy

konieczne jest u

ż

ycie

ź

ródeł o du

ż

ym pr

ą

dzie znamionowym, przekraczaj

ą

cym

mo

ż

liwo

ś

ci zasilaczy stabilizowanych.

Typowym przykładem zastosowania akumulatora w Laboratorium jest

u

ż

ycie go do zasilania układu mostka Thomsona, wymagaj

ą

cego pr

ą

du o

nat

ę ż

eniu ok. 20A.

Cz

ęść

II

3. Wzorce wielko

ś

ci elektrycznych

3.1. Wzorce ró

ż

nicy potencjałów

Wzorce te obok wzorców rezystancji nale

ż ą

do najwa

ż

niejszych wzorów

wielko

ś

ci elektrycznych stosowanych w metrologii elektrycznej.

Współcze

ś

nie u

ż

ywane s

ą

nast

ę

puj

ą

ce

ź

ródła wzorcowych napi

ę ć

stałych:

•

ogniwa chemiczne Westona

•

ź

ródła elektroniczne z diodami Zenera

•

ź

ródła wykorzystuj

ą

ce zjawisko Josephsona

Szczegółowe opisy ogniw Westona znale

ź ć

mo

ż

na w podr

ę

cznikach [1],

[2], za

ś

zjawisko Josephsona opisane jest np. w podr

ę

czniku [3].

Spo

ś

ród wymienionych wy

ż

ej

ź

ródeł wzorcowych w Laboratorium

Metrologii stosowane jest tylko ogniwo Westona.

Ź

ródło z diodami Zenera

u

ż

ywane jest do niektórych pomiarów nie wymagaj

ą

cych du

ż

ych dokładno

ś

ci.

Realizacja najdokładniejszych

ź

ródeł napi

ę ć

wzorcowych opartych na zjawisku

Josephsona wymaga skomplikowanej aparatury i ma miejsce tylko w nielicz-
nych laboratoriach metrologicznych.

Najwa

ż

niejszym

parametrem

ogniwa

Westona

jest

jego

siła

elektromotoryczna (SEM) okre

ś

lona z du

ż ą

dokładno

ś

ci

ą

na drodze oblicze

ń

elektrochemicznych (a nie na drodze pomiarowej). Próby pomiaru SEM przy
pomocy woltomierzy nie maj

ą

sensu, gdy

ż

nie pozwalaj

ą

okre

ś

li

ć

jej warto

ś

ci

dokładniej ni

ż

zrobił to wytwórca, a ponadto mog

ą

prowadzi

ć

do przeci

ąż

enia, a

nawet trwałego uszkodzenia tego wzorcowego

ź

ródła. Ogniwo wzorcowe

podczas pomiaru nie mo

ż

e by

ć

obci

ąż

one jakimkolwiek pr

ą

dem, je

ś

li mierz

ą

cy

ma polega

ć

na podanej przez wytwórc

ę

warto

ś

ci SEM. Przyjmuje si

ę

,

ż

e

dopuszczalne jest obci

ąż

enie ogniwa pr

ą

dem o nat

ę ż

eniu 1

µ

A tylko przez

kilkadziesi

ą

t sekund.

Siła elektromotoryczna ogniwa Westona u

ż

ywanego w Laboratorium

wynosi 1,01875 V w temperaturze 20

0

C. Do ogniwa doł

ą

czona jest tabela

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

9

poprawek, pozwalaj

ą

ca okre

ś

li

ć

jego SEM w innych temperaturach z przedziału

[17,5

0

C , 25

0

C]. Rezystancja wewn

ę

trzna ogniwa wynosi 850

Ω

.

Przykładem wykorzystania ogniwa Westona jest u

ż

ycie go do dokładnego

nastawiania wymaganej warto

ś

ci pr

ą

du pomocniczego I

p

kompensatora. U

ż

ycie

do tego celu amperomierza nie gwarantuje dostatecznej dokładno

ś

ci pomiaru

tego pr

ą

du. Na rysunku 5. przedstawiony jest fragment układu kompensatora

słu

ż ą

cy do nastawiania pr

ą

du pomocniczego I

p

.

Dokładn

ą

warto

ś ć

pr

ą

du I

p

=100

µ

A, która jest parametrem kompensatora

u

ż

ywanego w Laboratorium Metrologii nastawia si

ę

, kontroluj

ą

c spadek napi

ę

cia

na rezystancji wzorcowej R

w

wbudowanej do kompensatora, o tak dobranej

warto

ś

ci,

ż

e pr

ą

d o nat

ę ż

eniu 100

µ

A wywołuje na niej spadek napi

ę

cia U

w

równy dokładnie SEM ogniwa wzorcowego. Wtedy oba przeciwnie skierowane
napi

ę

cia równowa

ż ą

si

ę

i zanika pr

ą

d I

G

galwanometru G, pełni

ą

cego funkcj

ę

czułego detektora stanu kompensacji obu napi

ę ć

. Układ regulacji pr

ą

du I

p

nie jest

pokazany na rysunku 5.

G

E

w

=1,01875V

R

w

=10187,5

Ω

I

G

=0

U

W

I

p

=100

µ

A

Rys. 5. Zasada wykorzystania ogniwa wzorcowego do nastawiania pr

ą

du

pomocniczego kompensatora

Zwró

ć

my jeszcze uwag

ę

na zagadnienie natury bardziej ogólnej.

Przedstawiony na rysunku 5. układ jest przykładem zastosowania wzorców
dwóch wielko

ś

ci elektrycznych, napi

ę

cia i rezystancji do dokładnego pomiaru

trzeciej wielko

ś

ci - nat

ę ż

enia pr

ą

du elektrycznego.

3.2. Wzorce rezystancji

∗∗∗∗

)

Wzorce te wyst

ę

puj

ą

w postaci szczególnie starannie wykonanych

rezystorów odtwarzaj

ą

cych jedn

ą

tylko warto

ś ć

rezystancji. Rezystory te

wykonane s

ą

technik

ą

nawijania na korpusie izolacyjnym drutu oporowym

wykonanego ze specjalnego stopu oporowego zwanego manganinem. Stop ten
zawiera 86% Cu, 12% Mn 2% Ni. Jego rezystywno

ś ć

wynosi 0,43

Ω

mm

2

/m i jest

24 razy wi

ę

ksza od rezystywno

ś

ci miedzi. Współczynnik temperaturowy

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

10

rezystancji manganinu ma warto

ść

10

-5

/1

0

C, to znaczy jest 400 razy mniejszy

ni

ż

taki sam współczynnik miedzi. Gdy wi

ę

c przy zmianach temperatury nale

ż

y

uwzgl

ę

dnia

ć

w dokładnych układach pomiarowych zmiany rezystancji elementów

miedzianych, to na ich tle zmiany rezystancji rezystorów mangani- nowych
mo

ż

na zwykle pomin

ą ć

.

Drut lub ta

ś

m

ę

manganinow

ą

nawija si

ę

na sztywnym korpusie

izolacyjnym,

zapewniaj

ą

cym

stało

ść

wymiarów,

o

mo

ż

liwie

małym

współczynniku rozszerzalno

ś

ci cieplnej, najcz

ę ś

ciej ceramicznym. Nast

ę

pnie

rezystor poddaje si

ę

wygrzewaniu przez kilkadziesi

ą

t godzin w temperaturze

140

0

- 400

0

C. Ma to na celu uwolnienie materiału oporowego od napr

ę ż

e

ń

mechanicznych powstałych przy nawijaniu. Ponadto uzyskuje si

ę

w ten sposób

ujednolicenie struktury materiału. Nast

ę

pnie składuje si

ę

rezystory przez kilka

miesi

ę

cy. Dopiero po takim przygotowaniu wyrównuje si

ę

rezystancj

ę

na

ż ą

dana

warto

ść

. Je

ż

eli drut oporowy ma wi

ę

ksz

ą

długo

ść

, nawija si

ę

go w specjalny

sposób (bifilarnie) dla zminimalizowania indukcyjno

ś

ci własnej rezystora, a tak

ż

e

pojemno

ś

ci elektrycznej (patrz [1]).

Rezystory wzorcowe maj

ą

rezystancje z przedziału 10

-3

- 10

4

Ω

. Bł

ę

dy,

z jakimi okre

ś

lone s

ą

warto

ś

ci tych rezystancji wynosz

ą

od 0,002% do 0,05%.

Wszystkie rezystory wzorcowe wykonuje si

ę

jednolicie jako elementy

cztero- zaciskowe, mimo

ż

e stosowanie czterech zacisków ma istotne znaczenie

tylko dla bardzo małych rezystancji, cz

ę

sto mniejszych od rezystancji

przewodów ł

ą

cz

ą

cych materiał oporowy z zaciskami wej

ś

ciowymi rezystora

wzorcowego.

Istot

ę

rezystora czterozaciskowego (rezystora Thomsona) przedstawia

rysunek 6.

V

I

A

U

CD

R

m

R

1

R

2

R

3

R

4

b

a

C

D

B

A

A, B - zaciski pr

ą

dowe

C, D - zaciski napi

ę

ciowe

Rys. 6. Schemat ideowy rezystora czterozaciskowego

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

11

Gdyby rezystor wzorcowy miał tylko zaciski A, B (rys. 6), jego

rezystancja zawierałaby trzy składniki,

R

w

= R

1

+ R

m

+ R

2

,

gdzie:

R

1

, R

2

- rezystancje przewodów miedzianych

R

m

- rezystancja materiału oporowego (manganinu)

Dla okre

ś

lenia rezystancji znamionowej takiego rezystora konieczny byłby

kłopotliwy pomiar niewielkich rezystancji R

1

, R

2

. Ponadto rezystancje te, jako

miedziane, zmieniałyby w odczuwalnym stopniu swoje warto

ś

ci przy zmianach

temperatury. Wprowadzaj

ą

c dodatkowe zaciski C, D (tzw. zaciski napi

ę

ciowe),

mo

ż

na „wydoby

ć

” z rezystora rezystancj

ę

wył

ą

cznie materiału oporowego R

m

,

stabiln

ą

w czasie i praktycznie niezale

ż

n

ą

od temperatury. Dokonuje si

ę

to przez

pomiar spadku napi

ę

cia U

CD

przy u

ż

yciu woltomierza o praktycznie zerowym

poborze pr

ą

du (np. woltomierza cyfrowego, w przeszło

ś

ci - kompensatora).

Bezpr

ą

dowy pomiar napi

ę

cia U

CD

sprawia,

ż

e potencjał punktu a jest bez zmiany

przenoszony do punktu C, za

ś

potencjał punktu b przenoszony do punktu D. W

tym stanie rzeczy nieistotne s

ą

warto

ś

ci rezystancji R

3

, R

4

ani ich zmiany

temperaturowe, ani te

ż

zmienne rezystancje styków w punktach C, D, do których

przył

ą

czany jest woltomierz.

W układach pomiarowych, czterozaciskowy rezystor wzorcowy u

ż

ywany

jest przede wszystkim jako przetwornik pr

ą

du na napi

ę

cie. Funkcja

przetwarzania ma posta

ć

,

U

CD

= R

m

I

A

Wa

ż

n

ą

zalet

ą

tego przetwornika jest du

ż

a dokładno

ść

, z jak

ą

okre

ś

lona jest w

nim warto

ść

współczynnika przetwarzania R

m

oraz jego stabilno

ść

w czasie.

Warto

ść

tego współczynnika nie zale

ż

y od zmian rezystancji R

1

, R

2

, zmian

rezystancji przej

ś

cia w punktach A, B, a tak

ż

e C, D, od zmian temperatury

materiału oporowego wywołanego przepływem pr

ą

du oraz zmian temperatury

otoczenia.

Zapoznaj

ą

c si

ę

z rezystorami wzorcowymi w czasie

ć

wiczenia, nale

ż

y

zwróci

ć

uwag

ę

na dane zawarte na tabliczce znamionowej, a tak

ż

e nauczy

ć

si

ę

rozpoznawa

ć

zaciski pr

ą

dowe i napi

ę

ciowe. Niekiedy zaciski pr

ą

dowe

wyró

ż

niaj

ą

ich wi

ę

ksze wymiary, zwykle jednak zaciski napi

ę

ciowe oznaczone

s

ą

literami P za

ś

pr

ą

dowe literami I.

3.3. Rezystory dekadowe

Rezystor dekadowy jest zestawem pi

ę

ciu lub sze

ś

ciu dekad (10

jednakowych rezystorów w ka

ż

dej dekadzie), wyposa

ż

onym w odpowiedni

ą

liczb

ę

przeł

ą

czników korbkowych, umo

ż

liwiaj

ą

cych ł

ą

czenie szeregowe

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

12

potrzebnej liczby rezystorów pochodz

ą

cych z ró

ż

nych dekad. Najwi

ę

ksza dekada

rezystora sze

ś

ciodekadowego zawiera rezystory o warto

ś

ci 10 000

Ω

,

najmniejsza za

ś

rezystory 0,1

Ω

. St

ą

d regulacja rezystancji takiego rezystora

mo

ż

e odbywa

ć

si

ę

skokowo z minimalnym skokiem 0,1

Ω

.

Wykazuje si

ę

,

ż

e bł

ą

d, z jakim okre

ś

lona jest rezystancja zast

ę

pcza

dowolnej liczby rezystorów takiego zestawu jest równy bł

ę

dowi pojedynczego

rezystora. Bł

ą

d ten w laboratoryjnych rezystorach dekadowych wynosi 0,05%.

Wył

ą

czenie danej dekady odbywa si

ę

przez ustawienie jej przeł

ą

cznika

korbkowego w pozycji zerowej.

Nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

,

ż

e ka

ż

da dekada ma inny pr

ą

d dopuszczalny,

tym mniejszy im wi

ę

ksz

ą

warto

ś ć

maj

ą

jej rezystory. Nale

ż

y bra

ć

to pod uwag

ę

przy projektowaniu układu pomiarowego. Pr

ą

d płyn

ą

cy przez rezystor dekadowy

mo

ż

e by

ć

co najwy

ż

ej równy pr

ą

dowi dopuszczalnemu „najsłabszej” pod

wzgl

ę

dem pr

ą

dowym dekady, to znaczy dekady najwi

ę

kszej.

Zdarza si

ę

,

ż

e konieczne jest nastawienie rezystancji o danej warto

ś

ci, np.

200

Ω

, po któr

ą

ć

wicz

ą

cy si

ę

gaj

ą

odruchowo do dekady 10 x 100

Ω

. Okazuje

si

ę

jednak niekiedy,

ż

e ma ona zbyt mały pr

ą

d dopuszczalny i trzeba z niej

zrezygnowa

ć

. Wyj

ś

ciem z sytuacji mo

ż

e by

ć

wtedy szeregowe poł

ą

czenie dwóch

rezystorów dekadowych i wykorzystanie w nich dekad mniejszych, np.
10 x 10

Ω

, o wi

ę

kszym pr

ą

dzie dopuszczalnym. Nale

ż

y wtedy na ka

ż

dym z nich

nastawi

ć

10 x 10

Ω

, uzyskuj

ą

c w efekcie przykładow

ą

warto

ś ć

200

Ω

.

R

r

5

4

3

2

1

Rys.7. Schemat ideowy rezystora dekadowego

typu DR6-16, ilustruj

ą

cy role pi

ę

ciu zacisków

0

MAX

zacisk
oznaczony
kolorem
czerwonym

U

1

U

2

Rys.8. Schemat ideowy

rezystora typu OK

.

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

13

Rezystory dekadowe maj

ą

pi

ę ć

zacisków laboratoryjnych, co ilustruje rysunek 7.

Rezystor dekadowy jest w swej istocie dwójnikiem, tote

ż

nale

ż

y wł

ą

cza

ć

do

obwodu tylko dwa jego zaciski. Mo

ż

liwe jest przy tym u

ż

ycie nast

ę

puj

ą

cych par

zacisków: a) zaciski 1,2; b) zaciski 3,4; c) zaciski 1,4; d) zaciski 2,3. Takie
rozwi

ą

zanie zastosowano z uwagi na znaczn

ą

„rozległo

ś ć

” przestrzenn

ą

rezystora. W warunkach laboratoryjnych, gdzie cz

ę ś ć

elementów układu

pomiarowego mo

ż

e znale

ź ć

si

ę

z lewej strony rezystora, druga za

ś

ze strony

prawej, dogodnie jest „wej

ś ć

” do jednego zacisku poło

ż

onego np. na lewym

skraju rezystora, „wyj

ś ć

” natomiast z zacisku drugiej pary poło

ż

onej na prawym

skraju. Pi

ą

ty zacisk rezystora dekadowego poł

ą

czony jest z metalow

ą

obudow

ą

rezystora i u

ż

ywany jest zwykle w układach pomiarowych pr

ą

du zmiennego.

W laboratorium u

ż

ywane s

ą

tak

ż

e rezystory jednodekadowe typu OK,

zawieraj

ą

ce 10 rezystorów o jednakowych warto

ś

ciach. Ich rezystancje

okre

ś

lone s

ą

z bł

ę

dem 0,1%, a wi

ę

c wi

ę

kszym ni

ż

rezystorów wielodekadowych.

Schemat ideowy rezystora dekadowego typu OK przedstawiony jest na rysunku
8. Przypomina on rezystor suwakowy, jednak regulacja rezystancji mo

ż

e

odbywa

ć

si

ę

w nim oczywi

ś

cie tylko skokowo. Warto

ś ć

rezystancji pokazywana

przez wska

ź

nik jest rezystancj

ą

wyst

ę

puj

ą

c

ą

mi

ę

dzy zaciskiem „0”, a zaciskiem

czerwonym. Mo

ż

na u

ż

ywa

ć

ten rezystor jako rezystancj

ę

regulowan

ą

, a wtedy

wykorzystywane s

ą

tylko zacisk „0” i czerwony albo jako dzielnik napi

ę

cia,

wtedy napi

ę

cie wej

ś

ciowe U

1

przył

ą

cza si

ę

do zacisków „0” i „MAX”, za

ś

napi

ę

cie wyj

ś

ciowe U

2

odbiera si

ę

spomi

ę

dzy zacisków „0” i czerwonego, jak

pokazuje to rysunek 8.

Na koniec nale

ż

y przypomnie

ć

,

ż

e jak ka

ż

dy rezystor, tak i ten cechuje

dopuszczalny pr

ą

d roboczy, tym mniejszy im wi

ę

ksz

ą

warto

ś ć

ma jego

rezystancja znamionowa.

3.4. Wzorce indukcyjno

ś

ci własnej i wzajemnej

∗∗∗∗

)

Wzorcami indukcyjno

ś

ci s

ą

cewki powietrzne o szczególnie starannym

wykonaniu. Wzorce podstawowe nawini

ę

te s

ą

jednowarstwowo na korpusach

marmurowych o kształcie walca. Korpusy s

ą

bardzo starannie obrobione.

Odchylenie od zadanych wymiarów nie przekraczaj

ą

10

-4

%. Wzorce

indukcyjno

ś

ci s

ą

tak zwanymi wzorcami liczalnymi, co oznacza,

ż

e warto

ś

ci

indukcyjno

ś

ci s

ą

obliczane (a nie mierzone) na podstawie wymiarów

geometrycznych cewki, liczby zwojów, itp.

Wzorce indukcyjno

ś

ci nale

ż ą

do najdokładniejszych wzorców wielko

ś

ci

elektrycznych. Cechuje je ponadto bardzo du

ż

a stało

ś ć

w czasie mierzona

dziesi

ą

tkami lat.

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

14

Wzorce podstawowe indukcyjno

ś

ci wzajemnej maj

ą

dwa uzwojenia nawini

ę

te

w jednej warstwie. Oba uzwojenia nawijane s

ą

jednocze

ś

nie zwój przy zwoju.

Wzorce u

ż

ytkowe indukcyjno

ś

ci własnej nawini

ę

te s

ą

wielowarstwowo na

korpusach z marmuru lub porcelany przewodem skr

ę

canym z wielu cienkich drutów

miedzianych izolowanych emali

ą

lub jedwabiem. Tego rodzaju przewód jest korzystny

ze wzgl

ę

du na zjawisko naskórkowo

ś

ci. Gotow

ą

cewk

ę

impregnuje si

ę

w pró

ż

ni

lakierem izolacyjnym.

Wzorce u

ż

ytkowe indukcyjno

ś

ci wzajemnej nawija si

ę

podobnie jak wzorce

indukcyjno

ś

ci własnej, ale dwoma przewodami jednocze

ś

nie.

Wzorce u

ż

ytkowe indukcyjno

ś

ci własnej budowane s

ą

o warto

ś

ciach od 100

µ

H

do 10 H, a wzorce indukcyjno

ś

ci wzajemnej o warto

ś

ciach od 1 mH do 1 H.

Odchylenie indukcyjno

ś

ci od warto

ś

ci znamionowej wynosi ok. 0,1% w temperaturze

20

o

C. Bł

ą

d temperaturowy wzorców jest niewielki. W dobrze wykonanych wzorcach

zmiana indukcyjno

ś

ci przy wzro

ś

cie temperatury o 10

o

C jest rz

ę

du 0,03% - 0,05%.

Budowane s

ą

równie

ż

nastawne (regulowane) wzorce indukcyjno

ś

ci zwane

wariometrami.

Zapoznaj

ą

c si

ę

z wzorcami indukcyjno

ś

ci w trakcie

ć

wiczenia, nale

ż

y odczyta

ć

wszystkie parametry podane na tabliczkach znamionowych.

3.5. Wzorce pojemno

ś

ci

∗∗∗∗

)

Wzorcami pojemno

ś

ci s

ą

kondensatory powietrzne o prostych geometrycznie

kształtach. Pojemno

ś

ci takich kondensatorów oblicz si

ę

z du

ż ą

dokładno

ś

ci

ą

. S

ą

to

wi

ę

c, podobnie jak wzorce indukcyjno

ś

ci, wzorce liczalne. Stało

ść

w czasie wzorców

pojemno

ś

ci jest mniejsza ni

ż

wzorców innych wielko

ś

ci elektrycznych. Przyczyn

ą

jest

w tym wypadku odkształcanie si

ę

cz

ę ś

ci metalowych.

U

ż

ytkowe wzorce pojemno

ś

ci budowane s

ą

b

ą

d

ź

jako kondensatory powietrzne,

b

ą

d

ź

te

ż

jako kondensatory mikowe lub polistyrenowe.

Elektrodami kondensatora wzorcowego powietrznego s

ą

metalowe kr

ą ż

ki

umieszczone jeden nad drugim i na przemian przył

ą

czane do jednego z dwóch

zacisków. Podkładki utrzymuj

ą

ce kr

ą ż

ki we wła

ś

ciwym poło

ż

eniu wykonane s

ą

z

bursztynu, kwarcu lub polistyrenu, materiałów o du

ż

ej rezystywno

ś

ci. Kr

ą ż

ki

wykonane s

ą

ze stopu aluminium lub inwaru.

Kondensator osłania metalowa obudowa, pełni

ą

ca rol

ę

ekranu, chroni

ą

cego

wzorzec przed obcymi polami elektrycznymi.

Wzorce powietrzne nienastawne buduje si

ę

o pojemno

ś

ci do 10 000 pF,

a wzorce nastawne do 1000 pF. Pojemno

ść

znamionow

ą

podaje si

ę

dla cz

ę

stotliwo

ś

ci

50 Hz lub 100 Hz w temperaturze 20

o

C.

Bł

ę

dy, z jakimi okre

ś

lane s

ą

pojemno

ś

ci znamionowe wzorców wynosz

ą

od

0,02% do 0,1%. Zmiana pojemno

ś

ci wzorca powietrznego ze zmian

ą

temperatury jest

rz

ę

du 0,001% do 0,002%. Napi

ę

cie pracy wynosi od 250V do 1000V.

Kondensatory wzorcowe o du

ż

ej pojemno

ś

ci buduje si

ę

z dielektrykiem

mikowym. Dzi

ę

ki du

ż

ej stałej dielektrycznej oraz du

ż

ej wytrzymało

ś

ci na przebicie,

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

15

wymiary i ci

ęż

ar wzorców mikowych s

ą

mniejsze ni

ż

wzorców powietrznych. Stało

ść

pojemno

ś

ci wzorców mikowych w czasie jest bardzo du

ż

a. Pojemno

ść

kondensatorów

mikowych maleje wraz ze wzrostem cz

ę

stotliwo

ś

ci. Budowane s

ą

tak

ż

e wzorce

polistyrenowe, których pojemno

ść

nie zale

ż

y od cz

ę

stotliwo

ś

ci, s

ą

one jednak

wra

ż

liwe na wilgo

ć

.

Zapoznaj

ą

c si

ę

z wzorcami pojemno

ś

ci w trakcie

ć

wiczenia, nale

ż

y odczyta

ć

ich parametry znamionowe i oznaczenia zacisków wej

ś

ciowych oraz przedyskutowa

ć

z

prowadz

ą

cym

ć

wiczenie sposoby wł

ą

czania kondensatorów wzorcowych do układów

elektrycznych.

Uwaga: Partie materiału oznaczone

∗

)

zaczerpni

ę

te zostały praktycznie bez

zmian z [1]

4. Pytania kontrolne

1. Jak

ą

rol

ę

w badaniach laboratoryjnych pełni zasilacz stabilizowany?

2. W jakiej sytuacji zasilacz przechodzi samoczynnie ze stabilizacji napi

ę

cia na

stabilizacj

ę

pr

ą

du?

3. W jakich przypadkach wykorzystuje si

ę

stabilizacj

ę

pr

ą

du?

4. Kiedy i dlaczego zasilacz wykazuje cechy idealnego

ź

ródła napi

ę

cia?

5. Kiedy i dlaczego zasilacz wykazuje cechy idealnego

ź

ródła pr

ą

dowego?

6. Narysuj i obja

ś

nij charakterystyki zewn

ę

trzne zasilacza

7. W jakich przypadkach wykorzystywany jest w badaniach laboratoryjnych

autotransformator?

8. Jakie zastosowanie znajduje w laboratorium metrologii akumulator?
9. Opisz do

ś

wiadczenie zilustrowane rysunkiem 5. Kiedy w tym do

ś

wiadczeniu nie

jest pobierany pr

ą

d z ogniwa Westona?

10. Co nale

ż

y zmieni

ć

w układzie z rysunku 5. aby mo

ż

na w nim było zmierzy

ć

pr

ą

d

o nat

ęż

eniu 10

µ

A?

11. Porównaj parametry charakterystyczne miedzi i manganinu
12. Wyja

ś

nij rol

ę

czterech zacisków w rezystorze wzorcowym

13. Opisz budow

ę

wzorca rezystancji, indukcyjno

ś

ci własnej i wzajemnej oraz wzorca

pojemno

ś

ci

14. Co oznacza okre

ś

lenie - wzorzec liczalny?

15. Co to jest uzwojenie bifilarne i czemu słu

ż

y?

5. Literatura

1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego, WNT, Warszawa 1970
2. Jellonek A. i inni Podstawy metrologii elektrycznej i elektronicznej, PWN

Warszawa 1980

3. Marcyniuk A. inni Podstawy metrologii elektrycznej WNT, Warszawa 1984