34-50_Elektrotekhnika
.pdf
Этот прибор применяется для измерения активной мощности (на схемах обозначается PW). Ваттметр имеет две измерительные цепи: токовая (клеммы I и I*) - включается как амперметр, и напряжения (клеммы U и U*) - включается как вольтметр рис. 1.4, в. При включении ваттметра необходимо соблюдать полярность. Клеммы, обозначенные звездой (*), должны включаться в соответствии с указаниями на схеме, иначе прибор будет показывать отрицательное значение мощности.
♦ Проведение измерений Поскольку все реальные измерительные приборы не имеют идеальных
характеристик, то они вносят некоторые искажения и исследуемую цепь, то есть создают систематическую погрешность. Например, на рис. 1.4, а амперметр РА, имея не нулевое внутреннее сопротивление, вносит погрешность в измерение напряжения на нагрузке. Поэтому такая схема применяется в том случае, если внутреннее сопротивление амперметра значительно меньше (на несколько порядков), чем сопротивление нагрузки.
На рис. 1.4, б вольтметр PV потребляет, хоть и небольшой, ток, который складывается с током нагрузки и тем самым вносит погрешность в измерение тока. Поэтому такая схема применяется в том случае, если внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше (на несколько порядков), чем сопротивление нагрузки.
PA |
PA |
=U |
PV |
RН |
=U |
PV |
RН |
|
|
а) б)
U* I*
~U PW U I
RН
в)
Рис. 1.4
1.2. Описание лабораторного стенда РМС
1 1
Лабораторная работа выполняется на стенде «РМС Электротехника» (рабочее место студента) (рис. 1.5), который имеет две панели. Вертикальная панель 1 с измерительными приборами и горизонтальная панель 2 с элементами электрических и электронных цепей.
Напряжения и токи измеряются с помощью электронных цифровых вольтметров и амперметров. На приборной панели имеется по шесть вольтметров и амперметров переменного тока, два вольтметра и три амперметра постоянного тока, а также два ваттметра переменного тока.
Стенд оснащён тремя регулируемыми источниками постоянного тока 0 ... 15 В с током до 1 А и одним источником трёхфазного синусоидального напряжения с линейным напряжением 36 В. Источники оборудованы защитой от перегрузок и коротких замыканий. Питание к источникам подаётся с помощью специального ключа только преподавателем или лаборантом.
В качестве нагрузок используются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, расположенные на панели 2 элементов стенда.
1
2
3
4
Рис. 1.5
На этой панели имеются также следующие полупроводниковые приборы, используемые в лабораторном практикуме.
1 2
Диод Д7Б (IВЫПР.СР.MAX = 0,3 А; |
UОБР.MAX = 100 В). |
|
||
Выпрямительный мост КЦ402А |
(IВЫПР.СР.MAX = 1,0 А; UОБР.MAX = 600 В). |
|||
Тиристор КУ202Н |
(IПР.СР.MAX = 10 А; |
UОБР.MAX = 400 В; |
UПР.MAX = 400 В; |
|
IУ.MAX = 0,3 А). |
|
|
||
Стабилитрон Д815А |
(IСТАБ = 50 ... 1400 мА; UСТАБ = 5 ... 6,2 В). |
|||
Операционный усилитель К553УД1. |
|
|
||
Транзистор КТ315 |
(IК.MAX = 100 мА; |
UКЭ.MAX = 25 В; |
UЭБ.MAX = 6 В; |
|
РК.MAX = 150 мВт). |
|
|
||
Логические элементы и триггеры. |
|
|
||
В комплект лабораторного стенда РМС входит цифровая измерительная система, состоящая из ПК 4 и АЦП 3 (рис. 1.5) типа L-mikro_USB.
Измеряемые напряжения к АЦП подаются через входные разъёмы «Канал 1» – «Канал 4» (помечено на АЦП). Рядом с каждым входным разъемом имеется делитель напряжения 1:1 / 1:10.
Технические характеристики АЦП типа L-mikro_USB.
►Максимальное количество аналоговых входов (каналов) – 4.
►Диапазон изменения входных аналоговых сигналов – ±10 В (без делителя напряжения).
►Максимально-допустимое входное напряжение – ±30 В.
►Количество разрядов АЦП – 12.
►Входное сопротивление по аналоговым входам – 1 МОм.
►Максимальная частота выборок на канал (дискретизация) –
♦200 кГц при 1-м работающем канале,
♦100 кГц при 2-х каналах,
♦66 кГц при 3-х каналах,
♦50 кГц при 4-х каналах.
►Минимальная частота выборок на канал – 0,25 кГц.
►Выборка сигналов с 4-х входных каналов производится одновре-
менно.
►Интегральная и дифференциальная нелинейности АЦП – не более
±1 емр (единиц младшего разряда).
► Основная погрешность измерения напряжения с любого канала – не хуже 10 емр.
1 3
1.3.Порядок выполнения работы
1.3.1.Проверка вольтметра
Соберите цепь постоянного тока по рис. 1.6. В качестве источника постоянного напряжения используйте любой из трёх источников. В качестве вольтметра PV1 используйте любой вольтметр постоянного напряжения на приборной панели. В качестве вольтметра PV2 используйте стрелочный вольтметр, расположенный на панели источника питания (подключён постоянно). Собранную цепь покажите преподавателю или лаборанту. Преподаватель должен включить стенд.
+ |
+ |
|
PV1 |
=U |
PV2 |
– |
– |
|
Рис. 1.6
Необходимо проверить точность показаний стрелочного вольтметра PV2, считая прибор PV1, образцовым. Регулировочными ручками источника напряжения установите напряжения, соответствующие оцифрованным точкам испытуемого вольтметра PV2, при этом записывайте показания образцового вольтметра. Результаты измерений занесите в таблицу 1.1. Запишите параметры использованных приборов: тип прибора, класс точности, предел измерения.
|
|
|
Таблица 1.1 |
U2, B |
5 |
10 |
15 |
U1, B |
р е з у л ь т а т ы и з м е р е н и й |
||
1.3.2. Экспериментальное исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) источника напряжения
Соберите цепь постоянного тока по рис. 1.7. В качестве источника постоянного напряжения используйте любой из трёх источников. В качестве используйте резистор R11 = RH = 24 Ом. Покажите собранную цепь преподавателю или лаборанту. Преподаватель должен включить стенд.
Установите напряжение источника около 10 В и в дальнейшем не изменяйте его. Запишите показания приборов в таблицу 1.2 при изменении сопротивления нагрузки: 12, 24, 51 Ом и ∞ (нагрузка отключена).
1 4
|
+ |
+ PA |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
=U |
PV |
|
|
|
|
RН |
||||
|
|
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.2 |
RH, Ом |
12 |
24 |
|
|
|
51 |
|
∞ |
||||
I, А |
р е з у л |
ь т а т ы |
|
|
|
и з м е р |
е н и й |
|||||
U, В |
р е з у л ь т а т ы |
|
|
|
и з м е р е н и й |
|||||||
1.3.3. Испытание ваттметра
Соберите цепь переменного тока по рис. 1.8. В качестве переменного напряжения ~U используйте фазное напряжение А - 0 трёхфазного источника. Покажите собранную цепь преподавателю или лаборанту. Преподаватель должен включить стенд.
Запишите показания приборов в таблицу 1.3 при изменении сопротивления нагрузки: 24, 51 и 75 Ом. Запишите параметры использованных приборов: тип прибора, класс точности, предел измерения.
A |
PA U* |
|
|
|
|
I* |
|
|
|
|
RН |
||
|
PW |
|
PV |
|
|
||||||||
~U |
U |
|
|
|
I |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.8 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.3 |
RH, Ом |
24 |
|
|
|
|
|
51 |
|
|
75 |
|||
U, В |
р е з у л ь т а т ы и з м е р е н и й |
||||||||||||
I, А |
р е з у л ь т а т ы и з м е р е н и й |
||||||||||||
P, Вт |
р е з у л ь т а т ы и з м е р е н и й |
||||||||||||
1 5
1.3.4. Измерения с помощью АЦП
При выполнении работы строго соблюдать указанную последовательность действий!
► Включите ПК.
♦ На панели АЦП загорится красная лампа.
▼ Если во время измерений или сборки цепи на АЦП погаснет лампа, отключите кабель USB от ПК, подождите 3 ... 5 секунд, и снова подключите.
►Подключите специальные кабели к входным разъемам АЦП (канал 1 и канал 2).
►Делители напряжения поставьте в положение 1:10 (все 4 канала).
►Соберите цепь переменного тока по рис. 1.9. При сборке обратите внимание на то, чтобы общие (корпусные) выводы АЦП (штекеры синего цвета) были подключены к точке «0» (рис. 1.9). Потенциальные выводы АЦП (штекеры красного цвета) подключите к точкам 1 и 2 (рис. 1.9).
|
|
|
Канал 1 |
к АЦП |
Канал 2 |
||||||||||||||
|
A PA |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
U* |
|
|
|
|
I* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
~U |
|
|
|
PW |
|
|
|
C5 |
|
|
R4 |
|
|
|
|
PV |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
U |
|
|
|
I |
50 |
|
75 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
мкФ |
|
|
Ом |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.9
►Покажите собранную цепь преподавателю. Преподаватель должен включить стенд и автоматический выключатель для фазы А.
►С помощью вольтметра переменного напряжения измерьте напряжения между точками 0-1, 0-2 и 1-2. Полученные результаты, а также показания амперметра и ваттметра занесите в табл. 1.4.
►С рабочего стола ПК запустите программу L-mikro.
►В окне программы щёлкните кнопку НАСТРОЙКА. В открывшемся окне установите:
♦Режим работы: АВТОМАТИЧЕСКИЙ
♦Развёртка, мс/дел: 5
1 6
♦Выберите каналы: Канал 1 и Канал 2
♦Чувствительность канала, В/дел: 1 (оба канала)
♦Положение нулевой линии: 0 (оба канала)
♦Щёлкните кнопку √.
►Щёлкните по кнопке ПУСК. Через несколько секунд (не менее 3-х секунд) щёлкните по кнопке СТОП.
►Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.4 |
U01 |
|
U02 |
|
U12 |
I |
|
P |
B |
|
B |
|
B |
A |
|
Вт |
|
р е |
з у л ь т а |
т ы и з |
м е р е н |
и й |
||
► Сохраните полученные данные. |
|
|
|
||||
Для этого щёлкните АРХИВ. Выберите папку: |
C:\DATA\ |
||||||
Впишите имя файла: |
<номер группы> |
(например, <7347RC.txt>). |
|||||
►Щёлкните СОХРАНИТЬ.
►Попросите преподавателя выключить стенд и автоматический выключатель для фазы А.
1.4.Порядок проведения расчетов
1.4.1. Проверка вольтметра
Приведённая погрешность испытуемого прибора во всём измеряемом диапазоне не должна превышать погрешности, соответствующей его классу точности. В оцифрованных точках приведённая погрешность вычисляется по формуле:
γ = U2 −U1 100% ,
U K
где UK - нормированное значение прибора (предел измерения). Для испытуемого вольтметра UK = 15 В.
1.4.2. Экспериментальное исследование ВАХ источника напряжения
ВАХ источника напряжения описывается уравнением, полученным из закона Ома для всей цепи:
U = E - I Ri,
где: E - ЭДС источника, Ri - внутреннее сопротивление источника. Используя это уравнение и результаты измерений из табл. 1.2, вычислите ЭДС и
1 7
внутреннее сопротивление источника, а также постройте график зависимо-
сти U = f(I).
1.4.3. Испытание ваттметра
Активная мощность в цепи переменного тока определяется соотношением:
P = U I Cos ϕ, |
(1.3) |
где: ϕ - угол сдвига фаз тока и напряжения (см. рис. 1.3), и измеряется ваттами (Вт). Поскольку в качестве нагрузки в опыте использовались реостаты (активная нагрузка), то можно принять ϕ = 0.
Для всех трёх измерений п. 1.3.3 вычислите мощность по формуле (1.3) и сопоставьте с показаниями ваттметра.
1.4.4. Измерения с помощью АЦП
Цифровая измерительная система сформировала файл с данными, полученными во время эксперимента. Для работы с ними необходимо сначала загрузить EXCEL, а потом в него полученный файл, «7347RC.txt». Для этого в окне программы EXCEL щёлкните: ФАЙЛ → ОТКРЫТЬ. В открывшемся окне выберите ТИП ФАЙЛОВ: Все файлы. Выделите нужный файл. Щёлкните ОТКРЫТЬ. В окне МАСТЕР ТЕКСТОВ щёлкните
ГОТОВО.
В открывшейся таблице имеется несколько столбцов с данными. В столбце A записано время в секундах. В столбцах B и C записано напряже-
ние в вольтах (без учёта положения делителя напряжения каждого кана-
ла!), измеренное соответственно каналами 1 (входное напряжение u = u01) и
2 (напряжение uR = u02).
Для вычисления напряжения на конденсаторе uC = u12, а также тока i надо воспользоваться макросами.
► В файловом меню EXCEL выберите: СЕРВИС → МАКРОС → РЕДАКТОР VISUL BASIC. В файловом меню BASIC выберите:
INSERT → MODULE.
► В открывшемся окне запишите макрос:
Sub |
Macros1() ' |
имя модуля |
Dim |
t1, u1, u2, |
u3, i1 As Single ' задаём переменные |
Sheets("7347RC").Select ' переходим на лист «7347RC»
Cells(1, 5) |
= "t, |
мс" ' |
заголовок столбца 5 |
||||
Cells(1, 6) |
= "I, |
|
мА" ' |
заголовок столбца 6 |
|||
Cells(1, |
7) |
= |
"U01, |
B" |
' |
заголовок столбца 7 |
|
Cells(1, |
8) |
= |
"U02, |
B" |
' |
заголовок столбца 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 8 |
Cells(1, |
9) = "U12, B" ' заголовок столбца 9 |
|||
For |
n = 2 To 201 ' задаём цикл по 200 строкам |
|||
t1 |
= Cells(n, 1) |
' число из строки n, столбца 1 передаём в t1 |
||
u1 |
= Cells(n, 2) |
' число из строки n, столбца 2 передаём в u1 |
||
u2 |
= Cells(n, 3) |
' число из строки n, столбца 3 передаём в u2 |
||
t1 |
= t1 |
* 1000 ' |
t1 переводим в мс |
|
u1 |
= u1 |
* 10 ' |
масштабируем u1 |
|
u2 |
= u2 |
* 10 ' |
масштабируем u2 |
|
u3 |
= u1 |
- u2 ' |
напряжение u12 |
|
i1 |
= u2 |
/ 0.075 ' ток I в резисторе R4=75Ом (мА) |
||
Cells(n, 5) = t1 |
' число из t1 передаём в строку n, столбца 5 |
|||
Cells(n, 6) |
= i1 |
' число из i1 передаём в строку n, столбца 6 |
||
Cells(n, 7) |
= u1 |
' число из u1 передаём в строку n, столбца 7 |
||
Cells(n, 8) |
= u2 |
' число из u2 передаём в строку n, столбца 8 |
||
Cells(n, 9) |
= u3 |
' число из i1 передаём в строку n, столбца 5 |
||
Next n ' |
|
конец цикла |
||
End |
Sub ' |
|
конец программы |
|
► Нажмите клавишу F5. Если появится окно, щёлкните Run.
На листе «7347RC» будут созданы дополнительно 5 столбцов с данными.
►Выделите новые столбцы E, F, G, H, I.
►В файловом меню EXCEL щёлкните ВСТАВКА, затем ДИАГРАМ-
МА...
►В окне мастера диаграмм выберите:
♦Тип: ТОЧЕЧНАЯ.
♦Вид: СГЛАЖЕННАЯ БЕЗ МАРКЕРОВ.
♦Щёлкните: ДАЛЕЕ и ещё раз ДАЛЕЕ.
►На закладке ЗАГОЛОВКИ укажите название графика, например: «R-C», обозначьте ось x, например, t, мc и ось y, например, u, B.
►На закладке ЛИНИИ СЕТКИ отметьте ОСНОВНЫЕ ЛИНИИ по обеим осям. Щёлкните: ГОТОВО.
►На появившемся графике дважды щёлкните мышью по серому фону. В появившемся окне выберите: Заливка - прозрачная. Щёлкните ОК.
►Кривая тока имеет очень большой масштаб в сравнении с остальными кривыми. Для неё нужно создать дополнительную ось ординат. Для этого дважды щёлкните по этой кривой. В открывшемся окне выберите закладку ОСЬ, на которой щёлкните кнопку ПО ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ОСИ. Щёлкните ОК.
►Дважды щёлкните по цифрам на горизонтальной оси абсцисс. В появившемся окне выберите закладку ШКАЛА. Установите минимальное и максимальное значение такими, чтобы на графике отображалось 1,5 или
1 9
2 периода. Например, минимальное: 0; максимальное: 40; цена основных делений: 5. Щёлкните ОК.
►Аналогично для основной оси ординат установите: минимальное значение: – 40; максимальное значение: 40; цена основных делений: 10. Для вспомогательной оси ординат установите: минимальное значение: – 400; максимальное значение: 400; цена основных делений: 100.
►На графике дважды щёлкните мышью по одной из кривых. В появившемся окне выберите нужную толщину, тип и цвет линии. Щёлкните ОК. Сделайте все кривые отличающимися друг от друга.
►С помощью инструмента НАДПИСЬ сделайте соответствующие надписи на четырёх построенных кривых.
График готов!
По графику определите амплитудные значения UM01, UM02, UM12, IM. Используя выражение 1.2, вычислите соответствующие действующие значения и сопоставьте их с данными табл. 1.4.
По графику определите угол ϕ между фазой тока i и фазой напряжения u01. Для этого учтите, что при промышленной частоте 50 Гц один период равен 20 мс и равен 360°.
Используя данные из табл. 1.4 и выражение 1.3, вычислите угол ϕ между фазой тока и фазой напряжения и сопоставьте его со значением, полученным из графика.
1.5.Контрольные вопросы для защиты
1.Что такое цифровой измерительный прибор и в чем его особенности?
2.Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешности и что они характеризуют?
3.Что такое класс точности измерительного прибора и что он характеризует?
4.Чем определяется точность измерения и точность прибора?
5.В чем отличие цифровых и аналоговых приборов?
6.Какой прибор можно использовать в качестве образцового?
7.Какие величины характеризуют переменный ток?
8.Как устранить систематическую, приборную погрешность при измерении сопротивления методом амперметра и вольтметра?
9.Как можно определить угол сдвига фаз тока и напряжения в цепи переменного тока, используя амперметр, вольтметр и ваттметр?
10.Что такое мгновенное, амплитудное и действующее значения переменного тока?
11.Каково соотношение между действующим и амплитудным значениями переменного тока?
12.Что такое вольт-амперная характеристика источника напряжения.
2 0