POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci
metodami technicznymi
Instrukcja do
ć
wiczenia
Nr 25
_______________________________________________
Białystok 1998
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
2
1.Wprowadzenie
wiczenie ma na celu zapoznanie studentów z niektórymi prostymi metodami
pomiaru indukcyjno
ś
ci cewek i pojemno
ś
ci elektrycznej kondensatorów.
Mówi
ą
c
ś
ci
ś
lej opisane metody słu
ż ą
wyznaczaniu parametrów
szeregowych schematów zast
ę
pczych tych elementów.
Z poj
ę
ciem schematu zast
ę
pczego spotykaj
ą
si
ę
studenci na wykładach
z Elektrotechniki teoretycznej czy Teorii obwodów. Tutaj, tytułem przypomnienia,
wyja
ś
niamy ,
ż
e w schematach zast
ę
pczych wyst
ę
puj
ą
elementy idealne.
Rezystor idealny jest to element obwodu elektrycznego, w którym pr
ą
d
zmienny jest w fazie z napi
ę
ciem panuj
ą
cym na jego zaciskach.
Idealny kondensator to taki element obwodu, którego pr
ą
d wyprzedza w
fazie o k
ą
t 90
0
napi
ę
cie wyst
ę
puj
ą
ce mi
ę
dzy jego okładkami.
Idealna cewka opó
ź
nia z kolei pr
ą
d wzgl
ę
dem napi
ę
cia o k
ą
t 90
0
.
Zauwa
ż
my,
ż
e okre
ś
lenia powy
ż
sze s
ą
jednymi z kilku mo
ż
liwych, jakie spotka
ć
mo
ż
na w literaturze.
W tym
ć
wiczeniu pomiary wykonywane b
ę
d
ą
przy napi
ę
ciu przemiennym
o cz
ę
stotliwo
ś
ci 50 Hz. Dla elementów, przeznaczonych do pracy w układach
elektronicznych przy cz
ę
stotliwo
ś
ciach znacznie wy
ż
szych, stosowane s
ą
inne
metody pomiarowe i inne przyrz
ą
dy.
2. Metody techniczne
Mianem metody technicznej okre
ś
la si
ę
metod
ę
pomiaru, która, w odró
ż
nie-
niu od metody laboratoryjnej, u
ż
ywa mniej dokładnych przyrz
ą
dów pomiarowych i
elementów pomocniczych oraz stosuje prostsze algorytmy, dzi
ę
ki czemu pomiar
mo
ż
e by
ć
dokonany w warunkach przemysłowych i znacznie szybciej ni
ż
w
Ć
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
3
laboratorium. Metody techniczne zapewniaj
ą
zwykle dokładno
ś ć
wystarczaj
ą
c
ą
do
celów, którym słu
ż ą
.
2.1. Metoda woltomierza i amperomierza
W tym punkcie
ć
wiczenia wyznacza si
ę
parametry R
X
, L
X
schematu zast
ę
pczego
szeregowego cewki powietrznej.
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 1. Rezystor R
Z
ma za zadanie zabezpieczanie układu pomiarowego przed przypadkowym
przeci
ąż
eniem, jakie mo
ż
e si
ę
zdarzy
ć
przy ustawienia suwaka autotransformatora
AT w nieodpowiedniej pozycji. U
ż
ycie woltomierza cyfrowego V
sprawia,
ż
e
amperomierz A mierzy dokładnie pr
ą
d I
X
w impedancji badanej (R
X
, L
X
).
V
A
I
X
I
X
AT
W
R
Z
I
V
≈
0
U
L
U
R
U
X
L
X
R
X
220 V
50 Hz
Rys.1.Schemat układu pomiarowego
AT - autotransformator laboratoryjny
R
Z
= 98
Ω
- opornik suwakowy
W - wył
ą
cznik trójbiegunowy (u
ż
ywane tylko dwa bieguny)
A - amperomierz elektromagnetyczny typu LE-3P
V - woltomierz cyfrowy dowolnego typu (nastawi
ć
tryb pracy AC)
R
X
, L
X
- parametry schematu zast
ę
pczego cewki
Przebieg pomiarów
1. Zmierz omomierzem cyfrowym rezystancj
ę
R
X
badanej cewki, wpisz wynik
(trzykrotnie) do Tablicy 1.
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
4
2. Zamknij wył
ą
cznik W i przy pomocy autotransformatora AT nastawiaj warto
ś
ci
napi
ę
cia U
X
podane w Tablicy 1.
3. Odczytuj warto
ś
ci nat
ę ż
enia pr
ą
du I
X
4. Dokonaj oblicze
ń
wielko
ś
ci wskazanych w Tablicy 1, stosuj
ą
c wzory (1) - (4).
Z
U
I
X
X
X
=
(1)
L
Z
R
f
X
X
X
=
−
2
2
2
π
(2)
ϕ
X
U
X
U
L
I
X
U
R
Rys.2. Wykres wskazowy odnosz
ą
cy si
ę
do układu z rys.1.
Zgodnie z wykresem wskazowym z rys.2 mo
ż
emy napisa
ć
:
X
X
X
L
X
X
L
X
R
L
R
L
R
X
R
I
X
I
U
U
ω
ϕ
=
=
=
=
tg
(3)
Obliczymy tak
ż
e
dobro
ć
cewki Q
:
Q
L
R
X
X
=
ω
(4)
Tablica 1
Lp
POMIARY
OBLICZENIA
U
X
I
X
R
X
Z
X
L
X
tg
ϕ
X
ϕ
X
Q
-
V
mA
Ω
Ω
H
-
o
-
1
100
2
150
3
200
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
5
2.2. Metoda trzech woltomierzy
Metoda polega na pomiarze trzech napi
ęć
(rys.3): mi
ę
dzy zaciskami badanej
impedancji (U
3
), na rezystancji wzorcowej wł
ą
czonej z ni
ą
w szereg (U
2
) oraz
napi
ę
cia zasilaj
ą
cego układ obydwu tych elementów (U
1
). W pierwotnym wydaniu
tej metody potrzebne były do pomiaru trzy woltomierze elektromagnetyczne
wł
ą
czone na stałe do układu pomiarowego.
Współcze
ś
nie metoda mo
ż
e by
ć
realizowana przy u
ż
yciu jednego
woltomierza cyfrowego przeł
ą
czanego mi
ę
dzy odpowiednimi punktami obwodu.
Z dobrym przybli
ż
eniem mo
ż
na zało
ż
y
ć
,
ż
e zmiana poło
ż
enia tego woltomierza nie
zmienia rozkładu napi
ęć
i rozpływu pr
ą
dów w układzie pomiarowym. Nie mo
ż
na
było tego powiedzie
ć
o woltomierzach elektromagnetycznych, których wł
ą
czenie
do obwodu w istotnej mierze zmieniało istniej
ą
cy w nim pierwotnie stan rzeczy,
pobierały bowiem one z obwodu kontrolowanego znaczny pr
ą
d. W tej sytuacji
wł
ą
czenie na stałe jednocze
ś
nie trzech woltomierzy stwarza bardziej przejrzyst
ą
sytuacj
ę
(np. przy analizie bł
ę
du) ni
ż
przeł
ą
czanie jednego w ró
ż
ne miejsca układu.
Wyznaczanie parametrów schematu zast
ę
pczego
cewki powietrznej metod
ą
trzech woltomierzy
W punkcie tym badana jest ta sama cewka powietrzna co poprzednio.
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 3. W szereg z badan
ą
impedancj
ą
Z
X
(R
X
, L
X
) wł
ą
czona jest
rezystancja wzorcowa R
W
. Mierzone s
ą
trzy
napi
ę
cia: U
1
, U
2
, U
3
wskazane na rysunku 3.
AT
W
R
W
R
Z
220 V
50 Hz
I
p
U
L
U
R
U
2
U
1
U
3
L
X
R
X
V
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
6
AT - autotransformator laboratoryjny
R
Z
= 5 k
Ω
(opornik dekadowy typu OK 10 x 1 k
Ω
)
W - wył
ą
cznik trójbiegunowy
R
W
= 2k
Ω
(opornik dekadowy typu OK 10 x 1 k
Ω
)
V - woltomierz cyfrowy dowolnego typu (nastawi
ć
tryb pracy AC)
R
X
, L
X
- parametry schematu zast
ę
pczego cewki badanej
Przebieg pomiarów
1. Przył
ą
cz woltomierz V do zacisków wył
ą
cznika W (pomiar napi
ę
cia U
1
)
2. Zamknij wył
ą
cznik W i przy pomocy autotransformatora AT nastaw jedn
ą
z warto
ś
ci napi
ę
cia U
1
podan
ą
w Tablicy 2.
3. Przeł
ą
cz nast
ę
pnie woltomierz do pozostałych punktów obwodu w celu pomiaru
napi
ę ć
U
2
, U
3
.
4. Powtórz pomiary dla dwóch innych warto
ś
ci napi
ę
cia U
1
podanych w Tablicy 2.
Korzystne jest u
ż
ycie jednocze
ś
nie trzech woltomierzy cyfrowych, co
zapewnia praktycznie równoczesny pomiar wszystkich trzech napi
ę ć
. Unika si
ę
w ten sposób bł
ę
du wynikaj
ą
cego z ewentualnych waha
ń
napi
ę
cia w sieci. Ten
wariant stosujemy w zale
ż
no
ś
ci od mo
ż
liwo
ś
ci sprz
ę
towych laboratorium.
Tablica 2
Lp
POMIARY
OBLICZENIA
U
1
U
2
U
3
cos
ϕ
X
Z
X
R
X
L
X
I
P
-
V
V
V
-
Ω
Ω
H
mA
1
20
2
30
3
40
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
7
I
P
ϕ
X
α
U
3
U
L
U
R
U
2
U
1
Rys. 4. Wykres wskazowy odnosz
ą
cy si
ę
do układu z rysunku 3.
Stosuj
ą
c do wykresu wskazowego z rysunku 4. wzór kosinusów (zwany tak
ż
e
twierdzeniem Carnota), otrzymuje si
ę
:
U
U
U
U U
U
U
U U
U
U
U U
o
x
x
1
2
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
180
2
=
+
−
=
=
+
−
−
=
=
+
+
cos
cos(
)
cos
α
ϕ
ϕ
St
ą
d wyznacza si
ę
pierwszy z poszukiwanych parametrów:
cos
ϕ
x
U
U
U
U U
=
−
−
1
2
2
2
3
2
2
3
2
(5)
Moduł impedancji cewki okre
ś
la wzór
Z
U
I
U
U
R
X
P
W
=
=
3
3
2
(6)
Parametry R
X
, L
X
schematu zast
ę
pczego cewki wyznacza si
ę
ze wzorów (7), (8):
R
Z
X
X
X
=
cos
ϕ
(7)
L
X
Z
R
f
X
L
X
X
=
=
−
ω
π
2
2
2
(8)
Wyniki oblicze
ń
nale
ż
y zapisa
ć
w Tablicy 2.
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
8
Wyznaczanie parametrów schematu zast
ę
pczego
kondensatora stratnego metod
ą
trzech woltomierzy
W punkcie tym wyznacza si
ę
parametry schematu zast
ę
pczego szeregowego
kondensatora stratnego.
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 5.
AT
W
R
W
R
Z
220 V
50 Hz
I
p
U
C
U
R
U
2
U
1
U
3
C
X
R
X
V
Rys.5. Schemat układu pomiarowego
R
Z
= 20 k
Ω
- opornik dekadowy typu OK 10x10 k
Ω
R
W
= 1 k
Ω
- opornik dekadowy typu OK 10x1 k
Ω
V - woltomierz cyfrowy dowolnego typu (nastawi
ć
tryb pracy AC)
R
X
, C
X
- parametry schematu zast
ę
pczego kondensatora badanego
Tablica 3
Lp
POMIARY
OBLICZENIA
U
1
U
2
U
3
cos
ϕ
X
Z
X
R
X
C
X
I
P
-
V
V
V
-
Ω
Ω
µ
F
mA
1
20
2
25
3
30
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
9
Przebieg pomiarów
1. Przył
ą
cz woltomierz V do zacisków wył
ą
cznika W (pomiar napi
ę
cia U
1
)
2. Zamknij wył
ą
cznik W i przy pomocy autotransformatora AT nastaw jedn
ą
z warto
ś
ci napi
ę
cia U
1
podan
ą
w Tablicy 3.
3. Przeł
ą
cz nast
ę
pnie woltomierz w celu pomiaru napi
ę ć
U
2
, U
3
.
4. Powtórz pomiary dla dwóch innych warto
ś
ci napi
ę
cia U
1
podanych w Tablicy 3.
I
P
ϕ
X
U
3
U
C
U
R
U
2
U
1
Rys. 6. Wykres wskazowy odnosz
ą
cy si
ę
do układu z rysunku 5.
Wzory, z których wyznacza si
ę
poszukiwane parametry s
ą
tu analogiczne do
tych z poprzedniego punktu, a mianowicie.
cos
ϕ
x
U
U
U
U U
=
−
−
1
2
2
2
3
2
2
3
2
(9)
Z
U
I
U
U
R
X
P
W
=
=
3
3
2
(10)
R
Z
X
X
X
=
cos
ϕ
(11)
C
f
Z
R
X
X
X
=
−
1
2
2
2
π
(12)
Wyniki oblicze
ń
nale
ż
y zapisa
ć
w Tablicy 3.
Podobnie jak w poprzednim punkcie nale
ż
y rozwa
ż
y
ć
mo
ż
liwo
ś ć
u
ż
ycia
jednocze
ś
nie trzech woltomierzy
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
10
W sprawozdaniu nale
ż
y
:
W sprawozdaniu nale
ż
y narysowa
ć
na papierze milimetrowym wykres
wskazowy analogiczny do wykresu z rysunku 6 dla przypadku U
1
= 30V. Nale
ż
y
przyj
ą ć
dla wskazów napi
ę ć
współczynnik skali a
1
= 0,5 cm/V, za
ś
dla wskazu
pr
ą
du współczynnik a
2
= 3 cm/mA.
2.3. Metoda podstawienia
Metoda podstawienia polega na porównaniu wielko
ś
ci mierzonej z wielko
ś
ci
ą
wzorcow
ą
, ale nie bezpo
ś
rednio i nie jednocze
ś
nie.
Pomiar przebiega w dwóch etapach (rys.7). W pierwszy z nich do obiektu
OB (układu elektrycznego) doprowadza si
ę
wielko
ś ć
mierzon
ą
X i notuje
odpowied
ź
Y
1
obiektu.
W etapie drugim w miejsce wielko
ś
ci mierzonej podstawia si
ę
wielko
ś ć
wzorcow
ą
W tego samego rodzaju co wielko
ś ć
mierzona i reguluje jej warto
ś ć
do
chwili uzyskania odpowiedzi Y
2
równej odpowiedzi Y
1
.
Y
1
X
Etap I
Y
2
W
Etap II
OB
OB
Rys.7.Istota metody podstawienia
W rezultacie na podstawie równo
ś
ci odpowiedzi obiektu
Y
1
= Y
2
wnosi si
ę
o równo
ś
ci wymusze
ń
X = W
(13)
Równanie (13) jest równaniem pomiaru metody podstawienia.
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
11
Dokładno
ść
metody podstawienia zale
ż
y od bł
ę
du, z jakim okre
ś
lona jest
wielko
ść
wzorcowa W, czuło
ś
ci przyrz
ą
du wskazuj
ą
cego odpowied
ź
Y obiektu oraz
od stało
ś
ci parametrów obiektu OB w czasie trwania obydwu etapów pomiaru. Od
przyrz
ą
du wskazuj
ą
cego nie jest wymagana wysoka klasa dokładno
ś
ci, a tylko
wysoka czuło
ść
. W szczególno
ś
ci wskazanie mo
ż
e by
ć
po prostu zanotowane
w postaci kreski na szkle podziałki przyrz
ą
du wskazówkowego.
Omawiana metoda mo
ż
e by
ć
stosowana zarówno do pomiaru wielko
ś
ci
czynnych, to znaczy nios
ą
cych energi
ę
(napi
ę
cie, nat
ęż
enie pr
ą
du) jak i biernych,
takich jak rezystancja, indukcyjno
ść
, pojemno
ść
.
Jej stosowanie wymaga u
ż
ycia
ź
ródła wielko
ś
ci wzorcowej o płynnie
regulowanej i w ka
ż
dej chwili dokładnie znanej warto
ś
ci. Z dobrym przybli
ż
eniem
rol
ę
takiego
ź
ródła pełni
ą
w praktyce: zasilacz stabilizowany, opornik dekadowy,
indukcyjno
ść
dekadowa, pojemno
ść
dekadowa, itp.
Przebieg pomiarów
Schemat układu pomiarowego przedstawia rysunek 8. Układ pozwala na
pomiar pojemno
ś
ci C
X
tylko kondensatorów bezstratnych, poniewa
ż
ź
ródłem
wielko
ś
ci wzorcowej jest bezstratny kondensator dekadowy C
W
.
AT
P
W
R
Z
220 V
50 Hz
U
X
C
W
C
X
V
Rys.8. Schemat układu pomiarowego
R
Z
= 70 k
Ω
- opornik dekadowy typu OK 10x10 k
Ω
C
W
- kondensator dekadowy typu KD-1
C
X
- kondensator badany
V - woltomierz cyfrowy (nastawi
ć
tryb pracy AC)
P - przeł
ą
cznik dwupozycyjny
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
12
1. Ustawi
ć
przeł
ą
cznik P w pozycj
ę
C
X
2. Przy pomocy autotransformatora AT nastawi
ć
warto
ś ć
napi
ę
cia U
X
wskazan
ą
w Tablicy 4
3. Przeł
ą
czy
ć
przeł
ą
cznik P w pozycj
ę
C
W
(nie ruszaj
ą
c suwaka autotransformatora)
4. Regulowa
ć
pojemno
ś ć
C
W
do chwili uzyskania takiej samej warto
ś
ci napi
ę
cia U
X
jaka nastawiona była na pocz
ą
tku
5. Pomiar powtórzy
ć
dla dwóch pozostałych warto
ś
ci napi
ę
cia U
X
wskazanych
w Tablicy 4
Tablica 4
Lp
U
X
C
W
C
X
V
µ
F
µ
F
1
10
2
15
3
20
Ć
wicz. Nr 25 Pomiar indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci ...
13
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Narysuj schemat układu, w którym realizowany jest pomiar metod
ą
amperomierza
i woltomierza
2. Narysuj wykres wskazowy odnosz
ą
cy si
ę
do powy
ż
szej metody
3. Napisz równania dotycz
ą
ce tej metody
4. Narysuj i obja
ś
nij schemat układu do pomiaru parametrów schematu zast
ę
pczego
cewki (kondensatora) metod
ą
trzech woltomierzy
5. Narysuj wykres wskazowy odnosz
ą
cy si
ę
do metody trzech woltomierzy
i wyprowad
ź
stosowne równania
6. Dlaczego mo
ż
liwe jest u
ż
ycie jednego woltomierza w metodzie trzech wolto-
mierzy?
7. W jakim celu poleca si
ę
u
ż
ycie trzech woltomierzy w powy
ż
szej metodzie?
8. Wyja
ś
nij istot
ę
metody podstawienia
9. Zaprojektuj układ do pomiaru rezystancji metod
ą
podstawienia
4. Literatura
1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1970
2. Kwiatkowski W., Ol
ę
dzki J. Laboratorium miernictwa elektrycznego cz
ę ś ć
I
Skrypt PW Warszawa 1973 r.