POMIAR MOCY WYJŚCIOWEJ I ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH NAPIĘĆ ODKSZTAŁCONYCH

1) WPROWADZENIE :

Celem ćwiczenia jest określenie zależności pomiędzy mocą wyjściową generatora, a zmianą częstotliwości, czyli charakterystyki P=f(F), zależności pomiędzy mocą wyjściową, a impedancją (rezystancją) odbiornika P=f(Z_obc) oraz zależność pomiędzy mocą wyjściową a napięciem P=f(U). Następnie mieliśmy określić błędy jakie popełniamy mierząc napięcia o dużej częstotliwości, czy też napięcia, które nie są napięciami sinusoidalnymi (prostokątne, piłokształtne), woltomierzami o różnych ustrojach (magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, lampowe).

2) SCHEMATY POMIAROWE :

2.1) Schemat układy do wyznaczania charakterystyk : P=f(F), P=f(Z_obc), P=f(U) :

2.2) Schemat układu do wyznaczania błędów wskazań woltomierzy o różnych ustrojach w zależności od częstotliwości i kształtu napięcia:

2.3) Schemat kładu do wyznaczania wartości harmonicznych napięcia:

3) TABELE POMIAROWE :

3.1) Wyznaczanie charakterystyki P=f(F) :

U = 3 V, Zobc = 6 
f [kHz]	P [mW]	zniekształcenia %
2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20	1.4 1.4 1.4 1.3 1.2 1.2 1.2 1.1 1.0 0.8 0.6	0.1 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04

3.2) Wyznaczanie charakterystyki P=f(Z_obc)

U = 3 V, f = 1 kHz
P [mW]	Zobc []
3.1 2.6 2.0 1.6 1.2 1.0 0.8 0.7 0.6 0.4 0.3 0.3 0.2 0.15 0.0	2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 8.0 10.0 12.5 15.0 20.0 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0

3.3) Wyznaczanie charakterystyki P=f(U)

Zobc = Zwyj = 6 , f = 1 kHz
U [V]	P [mW]
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 7.61	0.1 0.6 1.2 2.2 3.8 5.4 7.2 8.4

3.4) Pomiar błędu woltomierzy przy zmianie częstotliwości mierzonego napięcia (napięcie sinusoidalne):

f	Umag	Uel-m	Ulamp	Ucyf	Uoscy
Hz	V	V	V	V	V
20 30 50 70 100 500 2000 4000 5500 10000 12000 14000 15000 20000	2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.4 2.9 3.0 3.0 3.2 3.4	2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.9 2.35 2.2 2.05 1.75 1.25	2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 3.0 3.1 3.4 3.5 3.5 3.7 3.8	3.016 3.014 3.014 3.015 3.016 3.018 3.031 3.086 3.157 3.581 3.633 3.697 3.831 3.975	4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 5.2 5.6 5.6 5.6 5.6

3.5) Pomiar błędu woltomierzy przy zmianie częstotliwości mierzonego napięcia (napięcie piłokształtny) :

f	Umag	Uel-m	Ulamp	Ucyf	Uoscy
Hz	V	V	V	V	V
20 100 500 1000 4000 5500 10000 12000 15000 20000	1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.7 2.1 2.1 2.2 2.4	2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.25 1.75 1.7 1.3 1.0	2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.6 2.7 2.7 2.8 2.9	2.407 2.406 2.407 2.411 2.467 2.527 2.872 2.916 3.069 3.179	4.4 4.4 4.4 4.4 4.8 4.8 5.2 5.2 5.6 5.6

3.6) Wyznaczanie wartości harmonicznych napięcia:

Przebieg prostokątny
nr harmonicznej	F [Hz]	U [mV]
1 3 5 7 9 11 13	30 90 150 210 270 330 390	45 13 7 5 4 3.4 3

4) Charakterystyki :

4.1) Charakterystyka P=f(F)

4.2) Charakterystyka P = f(Z_obc)

4.3) Charakterystyka P = f(U)

5)OBLICZENIA :

Obliczam współczynnik zawartość harmonicznych w mierzonym napięciu (IIIb 3.)

dla przebiegu prostokątnego

6) WNIOSKI :

W pierwszej części ćwiczenia wykonywaliśmy pomiary mocy wyjściowej generatora i współczynnika zniekształceń harmonicznych w zależności od częstotliwości napięcia wyjściowego generatora oraz impedancji (rezystancji) obciążenia. Zmierzone wartości posłużyły do wykreślenia charakterystyk: P=f(F), P=f(Z_obc) i P=f(U).

Charakterystyka P=f(F) przedstawia linię prostą. Jest to jak najbardziej prawidłowe ponieważ moc wydzielająca się na rezystancji obciążenia nie zależy od częstotliwości napięcia zasilającego. Zauważamy, że ze wzrostem częstotliwości maleją zniekształcenia.

Charakterystyka P=f(Z_obc) przedstawia krzywą, która w idealnym przypadku jest parabolą, impedancja wewnętrzna generatora jest równa impedancji obciążenia. są zależne od amplitudy napięcia na obciążeniu. W naszym przypadku najmniejsza impedancja obciążenia wynosiła 2.5 Ω, a największa 60 Ω dlatego nie zaobserwowaliśmy miejsc zerowych na charakterystyce.

W drugiej części ćwiczenia wykonywaliśmy pomiary napięcia woltomierzami o różnych typach ustrojów. Obserwując wskazania poszczególnych woltomierzy przy wzroście częstotliwości mierzonego napięcia możemy stwierdzić, że :

1) miernik wzorcowy, za jaki uznaliśmy woltomierz cyfrowy, w całym zakresie częstotliwości wskazywał podobną wartość napięcia zasilającego,

2) miernik magnetoelektryczny- miernik o takim ustroju można zastosować do pomiaru wielkości przemiennych tylko wówczas, gdy w układzie miernika zastosujemy prostownik półprzewodnikowy ( jego zastosowanie jest konieczne, gdyż w przeciwnym przypadku w związku z cechą tego ustroju wskazówka nie wychyliłaby się). Miernik mierzy wówczas wartość średnią przebiegu sinusoidalnego. Wartość skuteczną można uzyskać zamieniając wartość średnią na maksymalną, a następnie maksymalną na skuteczną, przy czym wartość trzeba pomnożyć przez współczynnik kształtu równy 1.11. Woltomierz wskazywał poprawnie wartość napięcia w całym zakresie częstotliwości. Różnica między wartością wzorcową napięcia a wartością zmierzoną wynika więc nie z wartości częstotliwości mierzonego napięcia a jedynie z błędów systematycznych (klasa dokładności, dokładność odczytu itp.).

3) przy pomiarze napięcia za pomocą woltomierza elektromagnetycznego stwierdziliśmy, że miernik ten, pomimo zamieszczonej na podzielni informacji o zakresie częstotliwości pracy 20 - 20000Hz, nie nadaje się zupełnie do pomiaru wartości napięcia o częstotliwości wyższej niż 10 kHz (na ogół mierniki o tym ustroju stosowane są do pomiaru wartości prądów i napięć sinusoidalnych o częstotliwości technicznej). Błąd pomiaru zawiera się pomiędzy 0 a 50 %. Jednocześnie mierniki elektromagnetyczne za sprawą zależności bezwładności i tłumienia od kwadratu wartości skutecznej prądu może być stosowany do pomiaru wartości skutecznej prądów i napięć przemiennych bez względu na ich kształt (dla niewielkich częstotliwości).

4) wartość napięcia zmierzonego przy pomocy woltomierzy: lampowego i selektywnego jest bardzo zbliżona do wartości poprawnej i również nie zależy od częstotliwości. Tak dobre dokładności pomiaru są związane ze sposobem wykonania tych mierników, oraz właściwościami elementów użytych do ich budowy .

Zależności na współczynnik szczytu ( amplitudy ) i kształtu są następujące:

k_s=U_max/ U k_k=U/U_śred

W trzeciej części ćwiczenia wykonywaliśmy pomiar napięcia prostokątnego i trójkątnego woltomierzami o różnych typach ustrojów, oraz mierzyliśmy wartości harmonicznych napięcia woltomierzem selektywnym. Woltomierz cyfrowy posłużył jako wzorzec. Zauważamy różnice między wskazaniami woltomierzy dla przebiegów trójkątnego i prostokątnego jak również różnice dla poszczególnych typów woltomierzy. Dla przebiegu trójkątnego wartości napięć były mniejsze od wartości wzorcowej. Jedynie woltomierz elektromagnetyczny wskazał wartość bliską wartości wzorcowej. Różnice pomiędzy wskazaniami są przyczyną tego, że poszczególne typy ustrojów reagują na różne wartości przebiegu oraz na kształt przebiegu co znajduje odzwierciedlenie we współczynnikach k_s i k_k. Nie zauważamy zbyt dużych różnic spowodowanych zmianą częstotliwości napięcia mierzonego. Dla przebiegu prostokątnego wartości wskazań poszczególnych woltomierzy są z kolei większe od wartości wzorcowej. Podobnie jak poprzednio woltomierz elektromagnetycznty wskazał wartość najbliższą wartości wzorcowej. Przyczyny tego zjawiska zostały już opisane przy okazji omawiania przebiegu trójkątnego.

Woltomierzem selektywnym mierzyliśmy wartości harmonicznych napięcia prostokątnego w celu określenia współczynnika zniekształceń harmonicznych. Zmierzone wartości posłużyły do porównania wartości współczynników: zmierzonego i obliczonego. Wartości te są prawie równe sobie co potwierdza poprawność określenia tego współczynnika.

Przeprowadzone ćwiczenie nie nastręczyło kłopotów a otrzymane wyniki potwierdzają poprawność wykonania.

---