Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu

METROLOGIA 1

Kod przedmiotu:

F02021

Ć

wiczenie pt.

ANALIZA SCHEMATÓW IDEOWYCH

I RZECZYWISTYCH

UKŁADÓW POMIAROWYCH

Numer ćwiczenia

02

Autor

Dr inż. Ryszard Piotrowski

Białystok 2006

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

2

1. Wprowadzenie

W trakcie odbywania ćwiczeń laboratoryjnych przez studentów II seme-

stru Wydziału Elektrycznego w Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
z przedmiotu Metrologia, dają się zauważyć istotne trudności, jakie ćwiczący
mają z prawidłowym odczytywaniem schematów ideowych układów elektrycz-
nych zawartych w instrukcjach do ćwiczeń i prawidłowym łączeniem na ich
podstawie schematów rzeczywistych.

Niniejsze ćwiczenie, na kilku charakterystycznych przykładach , uczy

najważniejszych zasad, jakie powinny być przestrzegane podczas realizacji
układów pomiarowych zarówno prądu stałego jak i zmiennego.

Umiejętność prawidłowego łączenia układów elektrycznych przydaje się

początkującym studentom nie tylko w trakcie nauki, ale przede wszystkim w ich
późniejszej pracy zawodowej.

Wspomniane wyżej zasady streszczono w kilku następujących punktach:

1. Łączenie układu należy rozpocząć od stworzenie zamkniętej drogi przepływu

prądu. Jest to szczególnie łatwe w przypadku obwodów prądu stałego W
przypadku układów prądu stałego należy „wyjść” od np. bieguna dodatniego
(plusa) źródła napięcia (akumulatora lub zasilacza stabilizowanego) i podą -
ż

ając poprzez napotykane w schemacie ideowym elementy (wyłącznik

jednobiegunowy, amperomierze, rezystory i inne) „dojść” do ujemnego
bieguna wspomnianego źródła napięcia. Dopiero na końcu należy włączyć
woltomierz lub woltomierze. W ten sposób uniknie się błędnego połączenia
przedstawionego na rysunku 3. Błąd w tym układzie polega na przeniesieniu
zacisków źródła napięcia na zaciski woltomierza. Takie połączenie, nie
czyniące większych różnic w układzie laboratoryjnym, jest niedopuszczalne
w warunkach przemysłowych. Tam bowiem średnica przewodów, którymi
przyłączony jest woltomierz jest znacznie mniejsza od średnicy pozostałych
przewodów przenoszących prądy o znacznym niekiedy natężeniu. Te
„cienkie” przewody woltomierza uległyby niechybnemu „stopieniu”. Należy
uświadomić to przyszłym inżynierom elektrykom już na początku ich
pierwszych zajęć praktycznych.

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

3

2. Należy zapamiętać następującą praktycznie zasadę: woltomierze powinny

być włączone tak, aby ich usunięcie z obwodu nie przerwało przepływu
prądu.

3. W przypadku jednofazowych obwodów pr dy zmiennego, podobnie jak

poprzednio, należy na początku zrealizować zamkniętą drogę przepływu
prądu, a dopiero w następnej kolejności włączać woltomierze. Tu jednak
początek obwodu zaczyna się od dowolnego w zasadzie zacisku źródła
napięcia. Wygodnie jest jednak przyjąć jako początkowy „górny” na
schemacie ideowym zacisk tego źródła. Poza tym w takich obwodach
występuje na ogół wyłącznik dwubiegunowy, który zapoczątkowuje układ
pomiarowy (rys. 4). W tym przypadku także należy zacząć łączenie obwodu
od „górnego” zacisku takiego wyłącznika.

4. Zauważmy dalej, że w obwodzie prądu stałego wystarcza wył cznik

jednobiegunowy (np. rys. 1a), podczas gdy w obwodach prądu zmiennego
stosuje się wył czniki dwubiegunowe. W tym ostatnim przypadku chodzi
o całkowite przerwanie połączenia między źródłem napięcia i resztą obwodu,
co zapewnia pełne bezpieczeństwo ćwiczącym, bowiem często trudno jest
ustalić który z dwóch przewodów jest przewodem fazowym, a który
zerowym (dotyczy to zwłaszcza układów, w których stosowany jest
autotransformator).

5. Należy następnie zwrócić uwagę na układ połączeń przedstawiony na

rysunku 5. Pokazano tam dodatkowy woltomierz włączony przed wyłączni-
kiem dwubiegunowym. Woltomierz ten pozwala na stwierdzenie, czy i jakie
napięcie istnieje na zaciskach autotransformatora jeszcze przed zamknięciem
wyłącznika i uchronienie układu przed ewentualnym zbyt wysokim napię-
ciem, gdyby przez nieuwagą ćwiczących regulator autotransformatora nie
znajdował się w położeniu zerowym.

6. W przypadku gdy pomiary przebiegają z użyciem watomierza (rys. 6a, 6b)

także na pierwszy plan wysuwa się, jak zwykle, realizacja zamkniętej drogi
przepływu prądu, która prowadzi przez cewkę prądową tego przyrządu.
Pocz tek tej cewki, oznaczany najcz ciej gwiazdk lub kropk , należy
bezwzględnie przyłączyć od strony źródła napięcia, zaś tak samo oznaczony
pocz tek cewki napi ciowej należy wtedy przyłączyć do tego samego
przewodu, do którego włączona została cewka prądowa – z jej lewej lub
prawej strony. Przestrzeganie tych zasad zapewnia odchylanie się wskazówki
watomierza w prawidłowym kierunku.

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

4

2. Układ do pomiaru rezystancji z dokładnym

pomiarem pr du

V

A

U

Z

I

X

I

A

U

X

U

A

U

V

R

X

W

Rys. 1a. Schemat ideowy układu z dokładnym pomiarem prądu

Zz

W

++++

A

++++

V

ZASI -
LACZ

STABILI -
ZOWANY

R

X

Rys. 1b. Schemat rzeczywisty układu z dokładnym pomiarem prądu

Zadanie dla studentów.

1. Wskaż na schemacie rzeczywistym napięcia: U

Z

, U

V

, U

X

, U

A

występujące na

schemacie ideowym oraz prądy: I

A

, I

X

2. Zaproponuj inny wariant włączenia na schemacie z rysunku 1b woltomierza,

nie naruszający zasady układu z dokładnym pomiarem prądu.

3. Jaką zaletę miałoby włączenie woltomierza przed wyłącznikiem W ?

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

5

3. Układ do pomiaru rezystancji z dokładnym

pomiarem napi cia

V

A

I

X

I

V

I

A

U

Z

U

X

U

V

R

X

R

X

W

Rys. 2a. Schemat ideowy układu z dokładnym pomiarem napięcia

Zz

W

++++

++++

A

V

ZASI -
LACZ

STABILI -
ZOWANY

R

X

Rys. 2b. Schemat rzeczywisty układu z dokładnym pomiarem napięcia

Zadanie dla studentów.

1. Wskaż na schemacie rzeczywistym napięcia: U

Z

, U

V

, U

X

, występujące na

schemacie ideowym oraz prądy: I

A

, I

V

, I

X

2. Czy możliwy jest inny wariant włączenia woltomierza na rysunku 2b, nie

naruszający zasady układu z dokładnym pomiarem napięcia ?

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

6

4. Bł dny układ poł cze

Zz

W

++++

A

++++

V

ZASI -
LACZ

STABILI -
ZOWANY

R

X

Rys. 3. Błędny sposób włączenia woltomierza w układzie z dokładnym

pomiarem prądu

5. Pomiar rezystancji pr dem zmiennym

w układzie z dokładnym pomiarem pr du

AT

W

A

V

R

X

Rys. 4. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru rezystancji prądem zmiennym

Zadanie dla studentów

1. Narysuj schemat ideowy układu z rysunku 4.
2. Wyjaśnij, jaki sens ma włączenie woltomierza przed wyłącznikiem W?

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

7

6. Pomiar rezystancji pr dem zmiennym w układzie

z dokładnym pomiarem napi cia

AT

W

A

V

R

X

V

Rys. 5. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru rezystancji prądem zmiennym

Zadanie dla studentów

1. Narysuj schemat ideowy układu z rysunku 5.
2. Wyjaśnij sens włączania dodatkowego woltomierza przed wyłącznikiem W.

6. Układ do pomiaru mocy watomierzem

∼

220V

∗

∗

A

k

W

V

Z

0

U

z

WŁ

I

p

AT

Rys. 6a. Schemat ideowy układu do pomiaru mocy watomierzem

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

8

Początek cewki

napięciowej

Początek
cewki prądowej

∗

∗

AT

WŁ

A

V

Z

0

W

Rys. 6b. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru mocy watomierzem

(watomierz W mierzy moc czynną wydzielającą się w odbiorniku Z

0

)

Zadania dla studentów

1. Połączyć układ z rysunku 6b używając w nim następujących przyrządów:

AT – autotransformator laboratoryjny
WŁ – wyłącznik dwubiegunowy
W – watomierz o następujących zakresach:

a) napięciowym U

N

= 200 V

b) prądowym I

N

= 0,5 A

V – woltomierz elektromagnetyczny o zakresie 300 V
A – amperomierz elektromagnetyczny o zakresie 0,6 A
Z

0

– odbiornik (żarówka)

2. Przeliczyć podane w Tablicy 1 wartości napięcia U

Z

na liczbę działek (dz)

3. Dokonać pomiarów według następującej kolejności:

Ustawić suwak autotransformatora w pozycji wyjściowej
(zerowej)

Zamknąć wyłącznik WŁ

Przy pomocy autotransformatora AT zwiększać stopniowo
napięcie zasilające żarówkę, nastawiając wartości napięcia
wskazane w Tablicy 1

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

9

Po nastawieniu każdej kolejnej wartości napięcia odczekać ok.
15 sekund (chodzi o ustabilizowanie się rezystancji
rozgrzewającej się żarówki), następnie odczytać i zapisać
wskazanie amperomierza i watomierza w działkach (dz)

4. Obliczyć natężenie prądu w amperach (A)

5. Obliczyć moc w watach (W)

6. W sprawozdaniu nale y:

Obliczyć rezystancję żarówki wg wzoru:

P

Z

ś

I

U

R

=

wykreślić charakterystyki:

P

W

= f (U

Z

)

I

P

= f (U

Z

)

R

ś

= f (U

Z

)

Skomentować otrzymane charakterystyki

Wyjaśnić, czy spirala żarówka jest rezystancją liniową.

Co to jest rezystancja liniowa?

Tablica 1

U

Z

U

Z

I

P

I

P

P

W

P

W

R

ś

V

dz

dz

A

dz

W

Ω

40
60
80

100
120
140
160
180
200
230

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

10

7. Pytania kontrolne

1. Wymień podstawowe zasady łączenia układów pomiarowych prądu stałego
2. Wymień podstawowe zasady łączenia układów pomiarowych prądu

zmiennego

3. Co to jest wyłącznik jednobiegunowy i dwubiegunowy ?
4. Kiedy stosuje się wymienione wyżej rodzaje wyłączników ?
5. Jakimi przewodami przyłącza się do obwodu woltomierze (chodzi o

przekrój)?

6. Dlaczego nie należy przenosić zacisków źródła napięcia na zaciski

woltomierza ?

7. Jaka prosta zasada powinna obowiązywać przy włączaniu woltomierza do

obwodu ?

8. Jak przelicza się liczbę działek wskazywaną przez woltomierz i

amperomierz na wolty i ampery ?

9. Jak przelicza się liczbę działek wskazywaną przez watomierz na waty ?

10. Na czym polega błędne połączenie w układzie z rysunku 3. ?
11. Spróbuj wyjaśnić, jaką rolę spełnia amperomierz w układzie na rysunkach

6a, 6b.

8. Literatura

1. Bolkowski S. Elektrotechnika, WSiP, Warszawa 2006
2. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna, PWN Warszawa 2003
3. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego, WNT, Warszawa 1972

Ć

wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...

11

Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest

zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.

W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.

♦

Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w
stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.

♦

Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.

♦

Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po
wyrażeniu zgody przez prowadzącego.

♦

Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.

♦

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.

♦

Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.

♦

W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.

♦

Stwierdzone

wszelkie

braki

w

wyposażeniu

stanowiska

oraz

nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.

♦

Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.

♦

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.