ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ MM205 ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ Εργαστηριακή Άσκηση Βασικές ηλεκτρικές μετρήσεις σε συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα Α. Θεωρητικό Μέρος A.1 Οι ηλεκτρικές μετρήσεις σχετίζονται με τη μέτρηση διαφόρων φυσικών μεγεθών των η- λεκτρικών στοιχείων (ομική αντίσταση, χωρητικότητα, αυτεπαγωγή κλπ.) και τη μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών ενός κυκλώματος (τάση, ένταση, ισχύς κλπ.). Για τη μέτρηση των διαφόρων αυτών μεγεθών εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές τόσο στο συνεχές όσο και στο εναλλασσόμενο ρεύμα οι οποίες χρησιμοποιούν τα λεγόμενα ηλεκτρικά όργανα μέτρησης (βολτόμετρο, αμπερόμετρο, βατόμετρο κλπ.). 1. Βολτόμετρο είναι το ηλεκτρικό όργανο που μετρά ηλεκτρική τάση μεταξύ δύο σημείων ενός κυκλώματος. Τοποθετείται πάντα παράλληλα με το τμήμα του οποίου η τάση πρέπει να μετρηθεί (στα άκρα μιας αντίστασης). Το ισοδύναμο κύκλωμα του βολτομέτρου δίνεται στο σχήμα 1, όπου είναι εμφανής η ύπαρξη της εσωτερικής του αντίστασης, R S. Στην ιδανική περίπτωση, η αντίσταση αυτή θα έπρεπε να είναι άπειρη ώστε να μην ε- πηρεάζει καθόλου το υπόλοιπο κύκλωμα και το βολτόμετρο να συμπεριφέρεται ως α- νοιχτός διακόπτης. Στην πράξη έχει μια πολύ μεγάλη, πεπερασμένη, όμως, τιμή η οποία εισάγει κάποιο σφάλμα στη μέτρηση. Όταν το βολτόμετρο χρησιμοποιείται για μετρήσεις στο συνεχές ρεύμα () θα πρέπει να συνδέεται με τη σωστή πολικότητα. Έτσι α- ποφεύγεται πιθανή βλάβη στο δείκτη του οργάνου. Στο εναλλασσόμενο ρεύμα () το βολτόμετρο μετρά την ενεργό τιμή της τάσης. Προφανώς, η μέτρηση της στιγμιαίας τιμής της τάσης είναι αδύνατη. Συνεπώς, η ενεργός τιμή είναι μια κατάλληλη ένδειξη για το πλάτος της τάσης. 2. Αμπερόμετρο είναι το ηλεκτρικό όργανο που μετρά την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο ενός κυκλώματος. Τοποθετείται πάντα σε σειρά με τον κλάδο αυτό. Το ισοδύναμο κύκλωμα του αμπερομέτρου δίνεται στο σχήμα 2, όπου είναι εμφανής η ύπαρξη της εσωτερικής του αντίστασης, R S. Στην ιδανική περίπτωση, η αντίσταση αυτή θα έπρεπε να είναι μηδενική ώστε να μην επηρεάζει καθόλου το υπόλοιπο κύκλωμα και το αμπερόμετρο να συμπεριφέρεται ως βραχυκύκλωμα. Στην πράξη έχει μια πολύ μικρή τιμή η οποία εισάγει κάποιο σφάλμα στη μέτρηση. Όπως και στην μέτρηση με βολτόμετρο, όταν το αμπερόμετρο χρησιμοποιείται για μετρήσεις στο συνεχές ρεύμα () θα πρέπει να συνδέεται με τη σωστή πολικότητα, ενώ στο εναλλασσόμενο ρεύμα () μετρά την ενεργό τιμή της έντασης του ρεύματος. Σελίδα 1/5

2 Τα αμπερόμετρα και τα βολτόμετρα ως όργανα μέτρησης κατατάσσονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τα αναλογικά και τα ψηφιακά. Τα αναλογικά όργανα χαρακτηρίζονται από το σταθερό και το κινητό τους μέρος. Το δεύτερο συνδέεται με μια βελόνα που μπορεί να περιστρέφεται μπροστά από μια κλίμακα, η ο- ποία περιλαμβάνει διάφορες πληροφορίες σχετικά με τον τύπο του οργάνου, το μετρούμενο μέγεθος, την ακρίβεια του οργάνου, την εσωτερική του αντίσταση κλπ. Η ένδειξη της βελόνας σε συνδυασμό με την περιοχή μέτρησης του οργάνου (καθορίζεται από κατάλληλο διακόπτη) οδηγεί στην τελική μετρούμενη τιμή του μεγέθους. Σε αντίθεση με τα αναλογικά όργανα, τα ψηφιακά είναι πολύ απλούστερα στη χρήση τους, καθώς η τελική τιμή του μετρούμενου μεγέθους αναγράφεται ψηφιακά. Η περιοχή μέτρησης του οργάνου επιλέγεται και στα ψηφιακά και στα αναλογικά όργανα μέτρησης και καθορίζει το εύρος τιμών του μετρούμενου μεγέθους. Σε περίπτωση που το μέγεθος έχει μεγαλύτερη τιμή από τη μέγιστη της περιοχής μέτρησης, θα πρέπει να επιλεγεί περιοχή με μεγαλύτερο εύρος τιμών που να περιλαμβάνει και τη ζητούμενη. Για παράδειγμα αν η πραγματική τιμή της τάσης στα άκρα μιας αντίστασης είναι 150, τότε δε μπορεί να επιλεγεί ως περιοχή μέτρησης η 0-100, αλλά η Σε περίπτωση που το μετρούμενο μέγεθος είναι κατά πολύ μικρότερο από το μέγιστο της περιοχής, τότε πρέπει να επιλεγεί μικρότερη περιοχή ώστε να υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση. Για παράδειγμα αν η πραγματική τιμή της τάσης στα άκρα μιας αντίστασης είναι 5, τότε δε συμφέρει να επιλεγεί ως περιοχή μέτρησης η 0-100, αλλά η A.2 Η μέτρηση της άγνωστης χωρητικότητας ενός πυκνωτή ή της άγνωστης αυτεπαγωγής ε- νός ιδανικού πηνίου μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου και ενός αμπερομέτρου. Συγκεκριμένα, γνωρίζοντας τη διαφορά δυναμικού στα άκρα ενός στοιχείου σύνθετης αντίστασης Ζ και το αντίστοιχο ρεύμα που το διαρρέει, τότε ο λόγος τω δύο αυτών μεγεθών ισούται με το μέτρο της σύνθετης αντίστασης από όπου μπορεί να προκύψει η άγνωστη χωρητικότητα ή αυτεπαγωγή, δηλαδή: ω για μέτρηση αυτεπαγωγής ω 1 1 C για μέτρηση χωρητικότητας ωc ω όπου ω2πf. A.3 Η μέτρηση της άγνωστης αυτεπαγωγής και της άγνωστης αντίστασης ενός πραγματικού πηνίου απαιτεί τη χρήση τόσο πηγής τάσης όσο και. Αρχικά εφαρμόζεται τάση στα άκρα του πηνίου. Τότε το πηνίο εμφανίζεται ως απλή αντίσταση καθώς η αυτεπαγωγή του λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα. Οπότε με τη χρήση βολτομέτρου και αμπερομέτρου υπολογίζεται η τιμή αυτής της αντίστασης R Κατόπιν εφαρμόζεται τάση, οπότε από τη μέτρηση των δύο οργάνων υπολογίζεται η συνολική σύνθετη αντίσταση του πραγματικού πηνίου, η οποία συμπεριλαμβάνει την αντί- Σελίδα 2/5

3 σταση R και την επαγωγική αντίδραση ω. Η αυτεπαγωγή υπολογίζεται με βάση τα παρακάτω: ή R ( ω ) R ω ω Σελίδα 3/5

4 Β. Πειραματικό Μέρος 1. Να μετρήσετε με τη βοήθεια του πολύμετρου την αντίσταση των αντιστατών που σας διατίθενται και να τη συγκρίνετε με την ονομαστική του κατασκευαστή (να κάνετε χρήση του πίνακα αντιστάσεων που σας διατίθεται). Κατόπιν να συμπληρώσετε τον πίνακα Ι τοποθετώντας τις τιμές των αντιστάσεων κατά αύξουσα σειρά. 2. Τροφοδοτήστε την αντίσταση R με συνεχές ρεύμα. Να χρησιμοποιήσετε το κανάλι 1 του παλμογράφου και να απεικονίσετε τη μεταβολή στο χρόνο της τάσης στα άκρα της αντίστασης. 3. Σχηματίστε το κύκλωμα του σχήματος 1. Αρχικά στη θέση του στοιχείου Ζ τοποθετείστε ένα πραγματικό πηνίο με άγνωστη αυτεπαγωγή και αντίσταση R. Τροφοδοτήστε το κύκλωμα με συνεχές ρεύμα και μετρήστε την τάση στα άκρα του στοιχείου καθώς και το ρεύμα που το διαρρέει. Εν συνεχεία τροφοδοτήστε το κύκλωμα με ε- ναλλασσόμενο ρεύμα και μετρήστε την τάση στα άκρα του στοιχείου καθώς και το ρεύμα που το διαρρέει. Να συμπληρωθεί ο πίνακας ΙΙ του παραρτήματος με τις μετρούμενες τιμές και να υπολογιστεί η άγνωστη αυτεπαγωγή. 4. Να χρησιμοποιήσετε τον παλμογράφο για να απεικονίσετε την τάση στα άκρα της α- ντίστασης R και του πηνίου ταυτόχρονα, έχοντας ως τροφοδοσία διάφορες κυματομορφές. Σχήμα 1 5. Τοποθετείστε στη θέση του στοιχείου Ζ έναν πυκνωτή άγνωστης χωρητικότητας C. Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με εναλλασσόμενο ρεύμα και μετρήστε την τάση στα ά- κρα του στοιχείου καθώς και το ρεύμα που το διαρρέει. Να συμπληρωθεί ο πίνακας ΙΙΙ του παραρτήματος με τις μετρούμενες τιμές και να υπολογιστεί η άγνωστη χωρητικότητα C. 6. Να χρησιμοποιήσετε τον παλμογράφο για να απεικονίσετε την τάση στα άκρα της α- ντίστασης R και του πυκνωτή ταυτόχρονα, έχοντας ως τροφοδοσία διάφορες κυματομορφές. Σελίδα 4/5

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Πίνακας Ι: Μέτρηση αντίστασης με πολύμετρο Ένδειξη πολύμετρου Τιμή κατασκευαστή Σχετικό σφάλμα (%) R 1 (Ω) R 2 (Ω) R 3 (Ω) R 4 (Ω) Πίνακας Ι: Μέτρηση αυτεπαγωγής () (A) R (Ω) () (A) Ζ (Ω) ω (rad/s) (H) Πίνακας Ι: Μέτρηση χωρητικότητας () (A) Ζ (Ω) ω (rad/s) C (μf) Σελίδα 5/5