Úloha č. 4: Meranie základných parametrov striedavého obvodu Zadanie: 1) Zmerajte parametre U, I, cosφ, f priamoukazujúcim meracím prístrojom. 2) Zmerajte parametre U, I, φ, f osciloskopom. Rozbor úlohy: Prístroje, ktoré slúžia na meranie elektrického napätia sa volajú voltmetre. Pripojujú sa vždy paralelne k obvodu, na ktorom chceme zmerať napätie (záťaže). Voltmeter, zapojený do elektrického odvodu musí mať minimálny až zanedbateľný vplyv na pretekajúci prúd v meranom obvode, preto musí mať čo najväčší vnútorný odpor. Voltmeter je citlivý na preťaženie, čiže prípadné pripojenie na vyššie napätie, ako je zvolený napäťový rozsah. Ak nepoznáme a nemôžeme odhadnúť hodnotu meraného napätia, musíme nastaviť na voltmetri maximálny rozsah, ktorý sa potom môže prepínať na menšie rozsahy. Na meranie elektrického prúdu sa používajú prístroje, nazývané ampérmetre. Ampérmeter sa zapája vždy do série s meraným prvkom (záťažou). Ampérmeter by mal mať minimálny vplyv na meraný obvod, preto má minimálny vnútorný odpor, rádovo menší ako 1Ω. V prípade paralelného pripojenia ampérmetra k meranému prvku (záťaži) dôjde ku skratovému prúdu a zničeniu ampérmetra. Ampérmeter je tiež citlivý na preťaženie, čiže prípadné pripojenie na vyšší prúd, ako je zvolený prúdový rozsah. Ak nepoznáme a nemôžeme odhadnúť hodnotu meraného prúdu, musíme nastaviť na ampérmetri maximálny rozsah, ktorý sa potom môže prepínať na menšie rozsahy. Kmitočet (frekvencia) je jednou zo základných parametrov periodicky premenných napätí a prúdov a je definovaný počtom periód sledovanej veličiny za sekundu. V technických aplikáciách sa elektrické veličiny môžu deliť podľa kmitočtu napríklad na: veľmi nízke kmitočty do 10Hz, technické kmitočty 10Hz až 1kHz, stredné (tónové) kmitočty 20Hz až 20kHz, stredné rádiové kmitočty 1kHz až 1MHz, vysoké rádiové kmitočty 1MHz až 500MHz, veľmi vysoké rádiové kmitočty 500MHz až 100GHz. Merač frekvencie (kmitomer) má veľký vnútorný odpor a preto sa zapája paralelne k meranému obvodu (záťaži), ako voltmeter. Fázový posun vyjadruje časový rozdiel dvoch sinusových alebo neharmonických priebehov rovnakého priebehu. Najčastejšie sa jedná o fázový posun medzi priebehom napätia a prúdu. V prípade určenia cosinusu tohto časového rozdielu (uhlu) sa hovorí o účinníku. Účinník môže byť podľa fázoru prúdu alebo kapacitného (prúd predbieha pred napätím) alebo induktívneho charakteru (napätie predbieha pred 1
prúdom). V jednofázových a trojfázových obvodoch je možné účinník vyjadriť: P cos UI Merače účinníku majú napäťovú časť a prúdovú časť, zapájajú sa ako W- meter. Meranie fázového posunu je možné pomocou osciloskopu nepriamou metódou. Na osciloskop sa privedú oba signály. Ak sa signály privedú na horizontálnu os pomocou dvoch lúčov, bude fázový posun vyjadrený ako vzájomný časový posun oboch signálov. Alebo sa privedú oba signály na vertikálnu a horizontálnu os, vznikne ovál, ktorý sa svojim tvarom mení podľa uhľu posunu. Základné elektrické parametre U, I, cosφ, f elektrických obvodov je možné merať priamoukazujúcimi prístrojmi, ale aj nepriamou metódou, pomocou osciloskopu. Každý elektrotechnik musí poznať metódy merania týchto základných elektrických veličín. Okrem toho musí vedieť merať aj iné veličiny, ale tieto základné sú aktuálne vo všetkých odvetviach elektrotechniky. Cieľ merania: Cieľom zadanej úlohy je odskúšať si meranie základných elektrických parametrov U, I, cosφ, f aj priamoukazujúcimi prístrojmi, ale aj nepriamou metódou pomocou osciloskopu. Literatúra: 1) Kol.: Elektrotechnická měření. BEN technická literatúra, Praha 2002. 2) Eichler, J.: Elektronická měření. SNTL, Praha 1977. Postup merania: Meranie prúdu I priamoukazujúcim meracím prístrojom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj. Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Pred zapnutím nastavte rozsah A-metra na maximum. 2
Spočítajte si konštantu prístroja. Vypočíta sa: podelíme nastavený rozsah veličiny počtom dielikov stupnice a toto vynásobíme počtom dielikov výchylky ručičky prístroja, pr.: NastavenýRozsah I VýchylkaRu čičky [A] PočetDieli kovstupnice Zapnite napájanie a odčítajte hodnotu prúdu v tomto elektrickom obvode. V prípade, že výchylka je na začiatku stupnice, vypneme napájanie a zmenšíme rozsah ampérmetra. Najvýhodnejši je, ak je výchylka v poslednej tretine, alebo aspoň v druhej polovine stupnice. Potom analogicky zmerajte prúd v obvode so záťažou Z RC a Z RL. Meranie napätia U priamoukazujúcim meracím prístrojom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj, potom zapojte napäťové okruhy a meracie prístroje. Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Pred zapnutím nastavte rozsah V-metra na hodnotu minimálne 260V~. Spočítajte si konštantu prístroja. Vypočíta sa: podelíme nastavený rozsah veličiny počtom dielikov stupnice a toto vynásobíme počtom dielikov výchylky ručičky prístroja, pr.: NastavenýR ozsah U VýchylkaRu čičky [V] PočetDieli kovstupnice Zapnite napájanie a odčítajte hodnotu prúdu v tomto elektrickom obvode. V prípade, že výchylka je na začiatku stupnice, vypneme napájanie a zmenšíme rozsah ampérmetra. Najvýhodnejši je, ak je výchylka v poslednej tretine, alebo aspoň v druhej polovine stupnice. Potom analogicky zmerajte napätie v obvode so záťažou Z RC a Z RL. 3
Meranie frekvencie f priamoukazujúcim meracím prístrojom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj, potom zapojte napäťové okruhy a meracie prístroje. Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Pred zapnutím nastavte rozsah f-metra na hodnotu minimálne 240V~, prepínač rozkmitu do strednej polohy medzi MAX a MIN. Potom analogicky zmerajte napätie v obvode so záťažou Z RC a Z RL. Meranie účinníku cosφ priamoukazujúcim meracím prístrojom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj, potom zapojte napäťové okruhy meracieho prístroja. Tento merací prístroj sa zapojuje ako W-meter. Prúdový okruh je na značke v schéme prezentovaný vodorovne, počiatok vinutia je označený bodkou, šípkou, prípadne hviezdičkou. Prúdové svorky na prístroji sú šrobovateľné na pripojenie káblikov s vidličkami, bez možnosti pripojenia banánikov. Napäťový okruh je na značke v schéme prezentovaný zvislo, počiatok vinutia je označený bodkou, šípkou, prípadne hviezdičkou. Napäťové svorky na prístroji sú šrobovateľné s možnosťou pripojenia káblikov s vidličkami, ale aj s možnosťou pripojenia banánikov. Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Prepínač L C na prístroji cosφ-metra môžete pre meranie účinníka ohmickej záťaže ponechať v ľubovolnej polohe. Výchylka musí byť 1. 4
Zapnite napájanie obvodu. Zmeranú hodnotu zapíšte do spoločnej tabuľky. Vplyv vlastnej spotreby meracích Obvod vypnite. Potom analogicky zmerajte napätie v obvode so záťažou Z RC. Obvod vypnite, zmeňte záťaž na Z RC, prepnite prepínač do polohy C. Zapnite napájanie obvodu. Potom analogicky zmerajte napätie v obvode so záťažou Z RL. Obvod vypnite, zmeňte záťaž na Z RL, prepnite prepínač do polohy L. Zapnite napájanie obvodu. Druh Prúd Napätie Frekvencia Účinník záťaže I ef U ef f cosφ [A] [V] [Hz] [-] Z R Z RC Z RL Meranie napätia U osciloskopom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj, potom zapojte napäťové okruhy a meracie prístroje. 5
Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Pred zapnutím nastavte rozsah osciloskopu na minimálnu citlivosť (V/dielik) Zapnite napájanie a odčítajte hodnotu amplitúdy priebehu napätia na obrazovke osciloskopu. Ak je potrebné, zvyšujte citlivosť osciloskopu. Výsledná hodnota meranej veličiny je súčinom hodnoty, zobrazenej na obrazovke a pomerom deliča, čiže x10 (1:10). Obvod vypnite. Potom analogicky zmerajte napätie pre záťaž Z RC a Z RL. Meranie prúdu I osciloskopom Zapojte prúdový okruh: zdroj záťaž zdroj, potom zapojte napäťové okruhy a meracie prístroje. Najskôr zapojte odporovú záťaž so žiarovkou Z R. Pred zapnutím nastavte rozsah osciloskopu GOS-310 na minimálnu citlivosť (V/dielik) Zapnite napájanie a odčítajte hodnotu amplitúdy priebehu úbytku napätia na obrazovke osciloskopu. Ak je potrebné, zvyšujte citlivosť osciloskopu. Obvod vypnite. Potom analogicky zmerajte napätie pre záťaž Z RC a Z RL. Druh Prúd Napätie Fázový Frekvencia Účinník posun záťaže I max U max φ f cosφ [A] [V] [ ] [Hz] [-] Z R Z RC - Z RL - 6
Meranie fázového posunu φ pomocou osciloskopu Dbajte na správne pripojenie osciloskopu GOS-310. Ak nezapojíte opačne signálový vstup a uzemňovací vstup, zobrazenie bude deformované. Ak zameníte vychyľovanie horizontálne a vertikálne, nebudete mať možnosť nastaviť vhodný pomer rozsahu amplitúdy na zobrazenie Lissajousových obrazcov. Pred zapnutím natočte oba potenciometre na prípravku do ľavej krajnej polohy. Na osciloskope prepnite prepínač citlivosti (V/dielik) do polohy 5V/dielik nastavte režim horizontálneho rozmietania (prepínač na prednom panelu osciloskopu vpravo dole) do polohy X-Y. Zapnite napájanie obvodu. Nastavte zobrazenie na osciloskope (pre ohmický odpor záťaže) na úsečku pod uhlom 45 podľa dielikov rastru obrazovky, najlepšie v rozsahu 3 dieliky horizontálne horným točítkom na prípravku a 3 dieliky vertikálne dolným točítkom na prípravku. Vypnite napájanie. Zmeňte záťaž na Z RL. Zapnite napájanie. 7
Z tvaru zobrazenia na obrazovke odčítajte úsečky a a b a vypočítajte fázový a posun medzi napätím U a prúdom I na záťaži: arcsin b Vypnite napájanie. Zmeňte záťaž na Z RC. Zapnite napájanie. Analogicky vyhodnoťte fázový posun φ aj pre túto záťaž. Meranie frekvencie f pomocou osciloskopu Dbajte na správne pripojenie osciloskopu GOS-310. Ak nezapojíte opačne signálový vstup a uzemňovací vstup, zobrazenie bude deformované. Ak zameníte vychyľovanie horizontálne a vertikálne, nebudete mať možnosť nastaviť vhodný pomer rozsahu amplitúdy na zobrazenie Lissajousových obrazcov. Pred zapnutím natočte oba potenciometre na prípravku do ľavej krajnej polohy. Na osciloskope prepnite prepínač citlivosti (V/dielik) do polohy 5V/dielik nastavte režim horizontálneho rozmietania (prepínač na prednom panelu osciloskopu vpravo dole, TRIGGER) do polohy X-Y. Zapnite napájanie obvodu. 8
Zapnite a nažeravte generátor harmonického signálu. Nastavte amplitúdu výstupného signálu na minimum, nastavte frekvenciu 50Hz. Nastavte zobrazenie na osciloskope podľa dielikov rastru obrazovky, najlepšie v rozsahu 3 dieliky horizontálne horným točítkom na prípravku. Potom nastavte 3 dieliky vertikálne točítkom amplitúdy signálu na generátore. Podľa zapojenia generátora na vertikálne / horizontálne vychyľovanie dostanete pomer (3:1 alebo 1:3). Ak neviete s určitosťou, ako sú pripojené vstup na vertikálne / horizontálne vychyľovanie, priveďte na vstup neznámeho signálu signál s frekvenciou 50Hz a na generátore nastavte frekvenciu 100Hz. Vznikne tak pomer 1:2 a zistíte, na ktorej osi máte ktorý signál. Potom privediete neznámy signál a generátorom sa snažíte nastaviť zobrazenie kruhu, to je pomer 1:1, prípadne iný m f x 1 3 pomer. Platí vzťah: n f 3 1 G Hodnoty zapíšte do tabuľky a dopočítajte potrebné hodnoty. Obvod vypnite. Druh Úsek Úsek Fázový Účinník posun záťaže a b φ cosφ [dielik] [dielik] [ ] [-] Z R Z RC - Z RL Nastav. Počet Počet Pomer Frekvencia Frekvencia obrazec vrcholov vrcholov vrcholov generátora neznáma horizontál. vertikál. f G [Hz] f X [Hz] 1-2 3 4 5 9
Namerané a vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky a porovnajte. Nakreslite vektorové diagramy. Nakreslite Lissajoussovy obrazce podľa obrazovky osciloskopu a vyznačte úseky z ktorých bol urobený výpočet pre frekvenciu f a fázový posun φ. V záveru porovnajte výhody a nevýhody merania základných parametrov striedavého obvodu pomocou priamoukazujúcich prístrojov a pomocou osciloskopu. Porovnajte presnosť merania podľa použitej metódy. Protokol Protokol spracujte so všetkými časťami. Protokol musí obsahovať: Titulný list: Je možné použiť pripravený formát, ktorý aktualizujte. Okrem mena, skupiny, dátumu aktualizujte číslo a názov úlohy! Zadanie. Rozbor úlohy. Postup merania, schémy zapojenia. Použité prístroje: vhodná je tabuľka. Prístroj musí mať napísané všetky technické údaje: Názov prístroja, typ, výrobné číslo (nie evidenčné čísla!), u analógových prístrojov všetky značky, určujúce vlastnosti prístroja (uvedené na stupnici prístroja). Podmienky merania. Vzorový výpočet. Tabuľky nameraných a vypočítaných hodnôt. Tabuľky sa musia vojsť do rozmeru poľa stránky, nesmú presahovať tieto hranice a tiež nesmú byť seknuté po stranách ani na konci. Grafy musia mať všetky popisné náležitosti: Názov grafu, stupnicu nezávislej premennej aj s popisom a rozmerom jednotiek (spravidla horizontálne), stupnicu závislých premenných aj s popisom a rozmerom jednotiek (spravidla vertikálne), legendu. Vyhotovenie musí byť jednoznačné. V prípade potreby znázornenia riešenia témy protokolu môžu byť vložené rôzne typy obrázkov, vytvorené v rôznych grafických editoroch. Do protokolu môžu byť priložené fotografické snímky, ktoré dopĺňajú obsah protokolu. Záver. Je to posledná časť protokolu, treba ju umiestniť na koniec protokolu! V závere vyhodnotiť to, čo sa požaduje v zadaní. Nepísať iné poznámky od veci. Záver napísať ručme, paličkovým technickým písmom. K protokolu je potrebné priložiť parafovaný merací list s poznámkami z vlastného merania. Každý! Pre merací list nie sú stanovené formálne požiadavky. Je potrebné, aby obsahoval všetky údaje, potrebné na spracovanie protokolu. Protokol je vaša vizitka! V protokole sa neškrtá!! V prípade takýchto omylov treba prerobiť stránku. Rukou písaný text sa píše paličkovým, technickým písmom. Text musí byť zarovnaný v rozsahu plochy stránky a musí rešpektovať okraje z dôvodu prípadného zviazania protokolu. Zvýrazňovanie formou tučného písma, kurzívy, podtrhnutého textu apod. len v minimálnej miere. Protokol vrátanie meracieho listu spojiť kancelárskou sponkou, prípadne zošívačkou. 10
V prípade umastenia protokolu, alebo jeho poliatia čímkoľvek je potrebné protokol prerobiť! Protokol pokrčený z ruksaku alebo s pokrkvanými okrajmi, je potrebné prerobiť! Protokol je potrebné odovzdať v stanovenom termíne. V prípade chýb môže byť protokol vrátený na dopracovanie. Protokol je odovzdaný, až keď je prijatý a oznámkovaný. Neskoré odovzdanie sa prejaví na hodnotení protokolu. 11