Pomocniczy sprzęt pomiarowy

background image

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

___________________________________________________________

Laboratorium Miernictwa Elektrycznego








Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy









ć

wiczenie nr 1









Opracował dr in

ż

. Ryszard Piotrowski

Białystok 1998

background image

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

background image

Ć

wicz. nr 1 Pomocniczy sprz

ę

t pomiarowy

2


W Laboratorium wyst

ę

puje kilka typów zasilaczy stabilizowanych

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

background image

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

background image

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.

background image

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

,

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

,

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

background image

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

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.

background image

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.

background image

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


background image

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

.

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

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

mm

2

/m i jest

24 razy wi

ę

ksza od rezystywno

ś

ci miedzi. Współczynnik temperaturowy

background image

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

. 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

background image

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

background image

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

,

najmniejsza za

ś

rezystory 0,1

. St

ą

d regulacja rezystancji takiego rezystora

mo

ż

e odbywa

ć

si

ę

skokowo z minimalnym skokiem 0,1

.

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

, po któr

ą

ć

wicz

ą

cy si

ę

gaj

ą

odruchowo do dekady 10 x 100

. 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

, o wi

ę

kszym pr

ą

dzie dopuszczalnym. Nale

ż

y wtedy na ka

ż

dym z nich

nastawi

ć

10 x 10

, uzyskuj

ą

c w efekcie przykładow

ą

warto

ś ć

200

.


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

.

background image

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.

background image

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.


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,

background image

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


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
01 Pomocniczy sprzet pomiarowy
Pomocniczy sprzęt pomiarowy
01 Pomocniczy sprzet pomiarowy
Dobór sprzętu pomiarowego (2)
SPRZĘT POMIAROWY
nadzorowanie sprzetu pomiarowego
Sprzęt pomiarowy, BHP, Mechanika pojazdowa
DOBÓR SPRZĘTU POMIAROWEGO
Sprzęt pomiarowy, DZIEJE RZYMU
Właściwości metrologiczne sprzętu pomiarowego
11 04 Montazowy sprzet pomocniczy haki zawiesia trawersy stezenia montazowe
11 04 Montazowy sprzet pomocniczy haki zawiesia trawersy stezenia montazowe
Materialy pomocnicze prezentacja maturalna
download Zarządzanie Produkcja Archiwum w 09 pomiar pracy [ www potrzebujegotowki pl ]
2 1 Podstawowe czynności pomiarowe w geodezji
BYT 2005 Pomiar funkcjonalnosci oprogramowania

więcej podobnych podstron