ΑΣΚΗΣΗ 2: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΩΜΟΜΕΤΡΟΥ & ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΑΣΗΣ DC

Transcript

1 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ. Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Ημερομηνία:... /.... /20... Τμήμα:..... Ομάδα: ΑΣΚΗΣΗ 2: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΩΜΟΜΕΤΡΟΥ & ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΑΣΗΣ DC Βήμα 1. Κάνοντας χρήση ενός οργάνου κινητού πηνίου (το οποίο ονομάζουμε βασικό όργανο) θα κατασκευάσουμε ένα ωμόμετρο (σχήμα 2.1). Πριν όμως φτιάξετε το ωμόμετρο πραγματοποιήστε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος για να μετρήσετε τα χαρακτηριστικά στοιχεία του οργάνου σας (πίνακας 2.1): Χαρακτηριστικά στοιχεία Βασικού Οργάνου I (Α) V (V) R = V. I (Ω) εσ Κάνοντας τώρα χρήση του βασικού οργάνου κατασκευάστε το ακόλουθο ωμόμετρο. Σχήμα 2.1 R f V B 1Κ 3V Τα άκρα του ωμομέτρου μας με το οποίο θα μπορούμε να μετρήσουμε άγνωστες αντιστάσεις είναι τα σημεία Γ και Δ. Πριν όμως μετρήσουμε οποιαδήποτε αντίσταση πρέπει πρώτα να του κάνουμε μηδενισμό και να βαθμονομήσουμε και την κλίμακά του. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 1 -

2 Μηδενισμός: Βραχυκυκλώστε τα σημεία Γ, Δ και ρυθμίστε την αρμόδια για τον μηδενισμό μεταβλητή αντίσταση R α (σχήμα 2.1) έτσι ώστε να έχετε την μέγιστη απόκλιση της βελόνας του βασικού οργάνου. Αυτή η μέγιστη απόκλιση αντιστοιχεί πλέον σε μετρούμενη αντίσταση R x =... (Ω) Βαθμονόμηση της κλίμακά του Για να βαθμολογήσετε τώρα το ωμόμετρο που κατασκευάσατε, χρησιμοποιήστε το κιβώτιο αντιστάσεων και βάλτε γνωστές αντιστάσεις μεταξύ των σημείων Γ και Δ (σημεία μέτρησης) έτσι ώστε να καταρτίστε τον παρακάτω πίνακα 2.2 Ένδειξης Βασικού Οργάνου Μετρούμενης Αντίστασης: Ένδειξη Βασικού Οργάνου I 2I 3I 4I 5I 6I 7I 8I 9I I Μετρούμενη Αντίσταση R x Πίνακας 2.2 Όπως παρατηρείται από τον πίνακα 2.2 η κλίμακα του ωμομέτρου σας δεν είναι γραμμική. Επιπλέον είναι και αντίστροφη σε σχέση με τις γνωστές κλίμακες των αμπερομέτρων και βολτομέτρων που ξέραμε μέχρι τώρα (το μηδέν είναι τέρμα δεξιά και όχι αριστερά). Αυτό είναι αναμενόμενο αν σκεφτεί κανείς ότι το ωμομέτρου μας μετρά τις άγνωστες αντιστάσεις όχι άμεσα αλλά έμμεσα. Αυτό δηλαδή που ουσιαστικά μετράει είναι το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα του σχήματος 2.1. Αν λοιπόν κανείς εφαρμόσει τον κανόνα ένα Kirchhoff των τάσεων στο βρόγχο του κυκλώματος 2.1 και βρει την σχέση που συνδέει το ρεύμα και την αντίσταση R x καταλαβαίνει αμέσως γιατί η κλίμακα του ωμομέτρου είναι αντίστροφη και μη γραμμική. Και μην νομίζετε ότι αυτό είναι χαρακτηριστικό μόνο του ωμομέτρου που υλοποιήσατε. Στη διπλανή φωτογραφία εικονίζεται ένα πολυόργανο κινητού πηνίου που χρησιμοποιείται ευρέως. Όπως μπορείτε να παρατηρήσετε, η πάνω κλίμακα (που είναι η κλίμακα του ωμομέτρου) είναι αντίστροφη και μη γραμμική σε σχέση με τις υπόλοιπες κλίμακες βολτομέτρου και αμπερομέτρου. Προφανής συνέπεια της μη γραμμικής κλίμακας του ωμομέτρου είναι και το ότι το σφάλμα παρατηρητή (κατά την ανάγνωση της τιμής μιας αντίστασης) δεν είναι σταθερό. Εξαρτάται και από το αν η μετρούμενη αντίσταση είναι μεγάλης ή μικρής τιμής. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 2 -

3 Με βάση λοιπόν τον πίνακα 2.2 που καταρτίσατε επιχειρήστε να βαθμονομήσετε την κλίμακα του ωμομέτρου σας προκειμένου να είστε πλέον σε θέση να μετρήσετε (με σχετική ακρίβεια) διάφορες αντιστάσεις (σχήμα 2.2 άνω κλίμακα). Σχήμα 2.2 Βαθμονόμηση κλίμακας ωμομέτρου Για μεγαλύτερη ακρίβεια στον προσδιορισμό της τιμής μιας μετρούμενης αντίστασης, φτιάξτε στην εργασία που θα παραδώσετε (με βάση τον πίνακα 2.2) και την Καμπύλη Ρύθμισης του ωμομέτρου σας R x = f (Ένδειξη Βασικού Οργάνου). Τώρα είστε έτοιμοι να μετρήσετε αντιστάσεις. Βήμα 4. Με το ωμόμετρο του σχήματος 2.1 επιχειρήστε να μετρήσετε 5 άγνωστες αντιστάσεις (R 1 έως R 5 ). Τις αντιστάσεις αυτές (R 1 έως R 5 ) μετρήστε τες και με το Ψηφιακό Ωμόμετρο το οποίο θεωρείστε ότι είναι Ιδανικό (πίνακας 2.3). Με τις ενδείξεις που θα πάρετε μετρώντας τις αντιστάσεις με το δικό σας ωμόμετρο (διαβάζοντας δηλαδή την ένδειξη του βασικού οργάνου), θα ανατρέξετε στην Καμπύλη Ρύθμισης του ωμομέτρου (που θα φτιάξετε στο σπίτι με βάση τις τιμές του πίνακα 2.2) και για κάθε ένδειξη του βασικού οργάνου θα βρείτε την τιμή της αντίστασης από το διάγραμμα R x = f (Ένδειξη Βασικού Οργάνου) που αντιστοιχεί σε αυτή. Στην συνέχεια (πάλι στο σπίτι) την τιμή κάθε αντίστασης που βρήκατε με βάση την Καμπύλη Ρύθμισης R x = f (Ένδειξη Βασικού Οργάνου) θα την συγκρίνετε με την τιμή που έδειξε το Ψηφιακό Ωμόμετρο, θα υπολογίσετε το σφάλμα για κάθε μετρούμενη αντίσταση και θα καταλήξετε σε συμπεράσματα ως προς αν είναι σταθερό, ή αν μεταβάλλεται, και πως). απόλυτο σφάλμα = τιμη( Ψ ) πραγματικη τιμη( ) μετρηθεισα (2.1) Ψ ο ( Ψ ) πραγματικη τιμη( Ψο ) τιμη( Ψ ) μετρηθεισα τιμη σχετικο σφαλμα = (2.2) πραγματικη ο ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 3 -

4 Άγνωστες προς μέτρηση Αντιστάσεις Ένδειξη Ψηφιακού Ωμομέτρου Ένδειξη Ωμομέτρου που φτιάξατε R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 Πίνακας 2.3 Βήμα 5. Μετατρέψτε το βασικό όργανο σε βολτόμετρο του 1Volt τοποθετώντας εν σειρά μ αυτό μια αντίσταση R σ (Δικτύωμα Α). Υπολογίστε την αντίσταση R σ : Δικτύωμα Α R σ = Η ολική εσωτερική αντίσταση του βολτομέτρου που φτιάξαμε είναι: R εσ = = Βήμα 6. Χρησιμοποιώντας το παραπάνω βολτόμετρο (Δικτύωμα Α) υλοποιήστε το παρακάτω κύκλωμα του σχήματος 2.3 και μετρήστε με το βολτόμετρο αυτό την τάση στα άκρα της μεταβλητής αντίστασης R (σχήμα 2.3). Επιδίωξη μας είναι να μελετήσουμε το σφάλμα που εισάγει η εσωτερική αντίσταση ενός βολτομέτρου κατά την μέτρηση της τάσης σε ένα κύκλωμα. Για παρατηρήσετε αυτό το σφάλμα υλοποιήστε το κύκλωμα του σχήματος 2.3 και συγκρίνεται το σφάλμα που εισάγει το δικό σας βολτόμετρο (δικτύωμα Α) κατά την μέτρηση της πτώσεις τάσης στα άκρα της μεταβλητής αντίστασης R, σε σχέση με το σφάλμα που εισάγει ένα ψηφιακό βολτόμετρο το οποίο θεωρήστε ότι είναι ιδανικό (άπειρη εσωτερική αντίσταση). Σχήμα 2.3 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 4 -

5 Για την υλοποίηση του κυκλώματος θέστε V B = 1,5 V και R f = 1 K. Οι τιμές της μεταβλητής αντίστασης R (κιβώτιο αντιστάσεων) καθώς και οι μετρήσεις των δύο βολτομέτρων θα καταχωρηθούν στον παρακάτω πίνακα 2.4. Οι δυο στήλες του πίνακα 2.4 συμπληρώνονται ως εξής: Η στήλη ΧΩΡΙΣ ΒΑΣΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ συμπληρώνεται με τα σημεία Α και Β (του σχήματος 2.3) μη γεφυρωμένα Η στήλη ΜΕ ΒΑΣΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ συμπληρώνεται με τα σημεία Α και Β (του σχήματος 2.3) γεφυρωμένα Και για τις δυο περιπτώσεις διαβάζετε την ένδειξη του ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΒΟΛΤΟΕΤΡΟΥ ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΒΟΛΤΟΕΤΡΟΥ (Volt) R (Ω) ΧΩΡΙΣ ΒΑΣΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ (Σημεία Α και Β μη γεφυρωμένα) ΜΕ ΒΑΣΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ (Σημεία Α και Β γεφυρωμένα) Πίνακας 2.4 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 5 -