Laborky obsáhlé

h i neelektrických veličin. Voltmetrem se označuje v širším slova smyslu přístroj na měření napětí. Klasifikace voltmetrů je možno provést podle několika kritérií:
a) podle způsobu měření : analogové
číslicové (digitální)
b) podle druhu měřeného napětí : stejnosměrné
střídavé
impulsní
c) podle citlivosti : voltmetry
milivoltmetry
mikrovoltmetry
nanovoltmetry
d) podle kmitočtové oblasti (střídavé voltmetry) : nízkofrekvenční
vysokofrekvenční
širokopásmové
selektivní (úzkopásmové)
Měření stejnosměrného napětí
Pro měření stejnosměrného napětí lze použít následující typy stejnosměrných voltmetrů:
Stejnosměrné analogové voltmetry
Měřené napětí ukazuje ručkové měřidlo zpravidla s magnetoelektrickým ústrojím. Požadované vlastnosti celého přístroje zajišťuje elektronická část předřazená magnetoelektrickému ústrojí přístroje, která zvyšuje vstupní odpor přístroje a rovněž zlepšuje citlivost .Zapojení s bipolárními tranzistory umožňuje dostatečně velkou citlivost, ale nevýhodou je závislost vstupního odporu na měřícím rozsahu. Zapojení s unipolárními tranzistory má vstupní odpor konstantní, a to nejméně 1 MΩ. Běžné ss analogové voltmetry umožňují měření do stovek voltů, má-li se měřit napětí vyšší, předřadí se před vstup voltmetru vysokonapěťová sonda obsahující rezistor, jehož odpor spolu se vstupním odporem samotného voltmetru vytvoří dělič napětí.
Stejnosměrné analogové milivoltmetry
Vyšší citlivosti se u analogových přístrojů pro měření ss napětí (voltmetrů) dosahuje
zesílením měřeného napětí (řádově 1000).
Stejnosměrné elektronické mikrovoltmetry
Měřené napětí se zesiluje nepřímo. Stejnosměrné analogové mikrovoltmetry používají k zesílení měřeného napětí modulační techniku, neboť nestálost nuly (drift) u stejnosměrných zesilovačů by porušovala správnost údaje, popř. by měření zcela znemožnila. Tyto ss elektronické voltmetry s modulátorem jsou založeny na principu přeměny stejnosměrného napětí na střídavé napětí. Stejnosměrné napětí se nejprve převede na střídavé napětí úměrné velikosti, to se zesílí a po zesílení se usměrní.
Stejnosměrné číslicové voltmetry
Elektronické voltmetry patří mezi nejčastěji používané elektronické měřicí přístroje.Používají se buď jako samostatné přístroje nebo bývají součástí různých přístrojů a zařízení pro měření elektrických nebo neelektrických veličin (např. mikrovoltmetr - pikoampérmetr, osciloskop s multimetrem, RLCG most – voltmetr, čítač –voltmetr, apod.). Stejnosměrné číslicové voltmetry jsou obvykle vybaveny obvody pro měření střídavého napětí, stejnosměrného a střídavého proudu a obvody pro měření odporů, odtud i název multimetry
Základní parametry číslicových voltmetrů (multimetrů)
Počet míst zobrazovací jednotky – minimální hodnotou je 3 ˝ resp. 3 3/4, kdy maximálně zobrazitelný údaj je 1999 resp. 3999 s libovolným umístěním desetinné čárky. Nejdokonalejší přístroje pak mívají počet míst zobrazovací jednotky 8 ˝. V poslední době se stále častěji objevují digitální měřící přístroje s analogovým zobrazovačem, který umožňuje pohodlnější naladění např. minima nebo maxima.
Rozlišovací schopnost – je minimální změna měřeného napětí, která způsobí změnu údaje o hodnotu 1 na posledním místě zobrazovací jednotky LSD (least signifikant digit) na nejnižším rozsahu přístroje. Tato hodnota bývá u běžných multimetrů řádově 100 µV a až10 nV u nejlepších přístrojů.
Maximální měřené napětí – obvyklé jsou hodnoty 1000 V stejnosměrného napětí a 750 V efektivní hodnoty střídavého napětí. Rozsahy se většinou volí automaticky, některé přístroje umožňují automatickou i manuální volbu rozsahů přístroje.
Odolnost proti rušení – rušení se obvykle rozděluje do dvou základních skupin na sériové a souhlasné. Obecně platí, že číslicové voltmetry vybavené integračními převodníky většinou dobře potlačují tato rušení.
Vstupní odpor – vstupní odpor většiny číslicových voltmetrů bývá konstantní, obvyklá je hodnota 10 MΩ na všech rozsazích, některé typy přístrojů mají pro nižší napěťové rozsahy vyšší vstupní odpor než na rozsazích vyšších.
Typ použitého A/D převodníku – vlastní převodník určuje parametry celého voltmetru (přesnost, rychlost, odolnost proti rušení). Dnes nejčastěji používané převodníky jsou s dvojí nebo trojí integrací (přesné a pomalé) a kompenzační převodníky s postupnou aproximací (rychlé).
Kmitočtový rozsah – tento parametr má význam u číslicových voltmetrů určených pro měření střídavých veličin, horní mezní frekvence dnešních multimetrů bývá v rozmezí 100 kHz až 1 MHz pro zaručované hodnoty chyb.
Začlenění do měřícího systému – pro připojení přístroje do měřícího systému se používá několika standardů, nejznámější je sběrnice IMS-2 (GPIB, HP-IB, IEEE-488,IEC 625.1). V poslední době se uplatňuje sériové rozhraní RS-232, tyto přístroje pak umožňují sběr dat, sledování a zpracování údajů z většího počtu měřících míst pomocí PC.
Další kritéria výběru – při měření na střídavých rozsazích je rovněž důležité vědět, jakým způsobem pracuje převodník střídavého napětí na stejnosměrné (AC, DC). Jednodušší přístroje měřenou veličinu pouze usměrní a střední hodnotu přepočítají na hodnotu efektivní (tento údaj platí ale pouze pro sinusový průběh). Dokonalejší multimetry měří skutečnou efektivní hodnotu bez ohledu na průběh měřeného napětí a bývají označeny True RMS nebo TRMS (True Root Mean Square). Z praktického hlediska je rovněž důležité znát, jak je multimetr vybaven ochranami proti přetížení a nesprávnému použití.
Měření střídavého napětí
Pro měření střídavých napětí se používají :
Střídavé analogové voltmetry
Ručkovým přístrojem s magnetoelektrickým ústrojím nelze bezprostředně měřit střídavá napětí. Střídavý analogový voltmetr je založen na spojení usměrňovače (detektoru), elektronického zesilovače a magnetoelektrického měřidla Citlivost takového střídavého elektronického voltmetru je dána citlivostí stejnosměrné části, která bývá u jednoduchých voltmetrů 1 V efektivní hodnoty (při sinusovém průběhu napětí) na plnou výchylku ručky nejcitlivějšího rozsahu.
Vysokofrekvenční elektronické voltmetry
Měřené vf napětí se nejdříve usměrní a získaný stejnosměrný signál se změří stejnosměrným elektronickým voltmetrem. Měřící usměrňovače ve vysokofrekvenčních voltmetrech jsou nejčastěji diodové, převážně s polovodičovou diodou jako usměrňovacím prvkem. Střídavé analogové voltmetry jsou nejčastěji běžně kalibrovány v efektivní hodnotě napětí, tato kalibrace ale platí jen pro napětí harmonického průběhu. Pro neharmonické signály je velikost chyby údaje efektivní hodnoty
napětí závislá na tvaru vstupního signálu
Širokopásmové milivoltmetry
Tyto střídavé milivoltmetry obsahují před usměrňovačem širokopásmový zesilovač. Na vlastnostech tohoto zesilovače závisí jejich citlivost i kmitočtové vlastnosti. Dolní mezní kmitočet bývá 1 až 20 Hz, horní mezní kmitočet až 10 MHz. Citlivost bývá 0,1 mV až 10 mV na plnou výchylku ručky.
Laditelné selektivní mikrovoltmetry
Citlivost těchto přístrojů dosahuje hodnoty řádově 1 µV na plnou výchylku ručky. Zesilovače, které dosahují tak vysokého zesílení, jsou úzkopásmové (selektivní), a aby bylo možno měřit střídavá napětí na různých kmitočtech, musí být tyto přístroje laditelné.
Tabulky:
Nelinearita stupnice
Un/V
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Metex U/V
0,0060
0,2060
0,4060
0,6070
0,8070
1,0070
1,2070
1,4070
1,6070
1,8080
2,0070
Agilent U/V
0,0070
0,2070
0,4070
0,6070
0,8070
1,0070
1,2070
1,4070
1,6060
1,8070
2,0060
Abs.chyba
0,001
0,001
0,001
0
0
0
0
0
-0,001
-0,001
-0,001
Rel.chyba %
14,2857
0,48309
0,2457
0
0
0
0
0
-0,0623
-0,0553
-0,0499
Korekce
-0,001
-0,001
-0,001
0
0
0
0
0
0,001
0,001
0,001
Un/V
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
Metex U/V
2,2100
2,4100
2,6100
2,8100
3,0100
3,2100
3,4100
3,6100
3,8100
Agilent U/V
2,2080
2,4080
2,6080
2,8080
3,0080
3,2070
3,4080
3,6080
3,8080
Abs.chyba
-0,002
-0,002
-0,002
-0,002
-0,002
-0,003
-0,002
-0,002
-0,002
Rel.chyba %
-0,0906
-0,0831
-0,0767
-0,0712
-0,0665
-0,0935
-0,0587
-0,0554
-0,0525
Korekce
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
0,003
0,002
0,002
0,002
Frekvenční charakteristika
f / kHz
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
metex U/V
1,00
1,00
0,99
0,99
0,98
0,97
0,96
0,95
0,95
0,94
0,93
0,92
0,91
0,90
0,89
f /kHz
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
metex U/V
0,88
0,87
0,86
0,86
0,85
0,84
0,83
0,82
0,81
0,80
0,79
0,78
0,77
0,76
0,75
f /MHz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
tesla U/V
0,84
0,84
0,84
0,84
0,81
0,81
0,81
0,81
0,78
0,75
0,75
0,72
0,72
0,72
0,72
Grafy:
Závěr:
Vstupní odpor multimetru Metex na rozsahu 40 V DC se rovnal 10,1M. Změřili jsme nelinearitu stupnice vůči referenčnímu multimetru Agilent a stanovili korekční křivku a stanovili absolutní a relativní chyby. Dále jsme změřili frekvenční charakteristiku multimetru Metex a vysokofrekvenčního střídavého voltmetru BM-579 a zaznamenat je do grafu.

Úkol č. 2: Měření výkonu v jednofázových a třífázových střídavých soustavách
Petr Vrzal, B2B-15
5.10.2003
Úkol:
Seznámení se s měřením činného výkonu zátěže elektrodynamickým wattmetrem dvěma možnými způsoby zapojení napěťové cívky wattmetru.
Seznámit se s výpočtem výkonů spotřebovaných použitými měřícími přístroji a korekcí naměřeného činného výkonu.
Změřit činný výkon trojfázové zátěže zapojené na napěťově souměrnou síť:
v soustavě čtyřvodičové třemi wattmetry
v soustavě třívodičové třemi wattmetry v zapojení s volným uzlem
v soustavě třívodičové dvěma wattmetry postupně ve třech alternativních zapojení wattmetrů
Ověřit Blondelův teorém – změřit činný výkon zátěže ve čtyřvodičové soustavě dvěma wattmetry.
Změřit jalový výkon trojfázové zátěže v napěťově souměrné soustavě:
v soustavě čtyřvodičové třemi wattmetry
v soustavě třívodičové dvěma wattmetry
Teoretický úvod:
Měření v jednofázové soustavě:
Wattmetr na obrázku udává činný výkon zátěže, výkon spotřebovaný proudovou cívkou wattmetru a výkon spotřebovaný ampérmetrem. Výkon určený z výchylky wattmetru je tedy:
,
kde P1Z…výkon zátěže, PW1…spotřeba proudové cívky wattmetru, PA…spotřeba ampérmetru.
Výkon spotřebovaný proudovou cívkou wattmetru určíme:
n.3 ,
kde RW1…odpor proudové cívky wattmetru, I1Z…proud protékající zátěží. Výkon spotřebovaný ampérmetrem určíme ze vztahu:
,
kde RA…vnitřní odpor ampérmetru.
Velikost skutečného výkonu zátěže lze poté určit snadno – odečteme výkony spotřebované měřícími přístroji:
Absolutní chyba metody je tedy rovna vztahu:
Pro relativní chybu metody tedy platí:
Od těchto úvah s odvíjí i zapojení, je-li úbytek napětí na proudové cívce wattmetru mnohem menší než napětí na zátěži.
Výkon spotřebovaný zátěží a měřícími přístroji se spočte:
kde P2Z…výkon zátěže, PWU…spotřeba napěťové cívky wattmetru, PV…spotřeba voltmetru.
kde RWU…odpor napěťové cívky wattmetru, U2Z...napětí na zátěži. Výkon spotřebovaný voltmetrem určíme ze vztahu:
,
kde RV…odpor voltmetru. Absolutní chyba metody je tedy rovna vztahu:
.3
Pro relativní chybu metody tedy platí:
Činný výkon v trojfázových soustavách:
Pro třífázové obvody platí, že proudy a napětí mají sinusový průběh. Pro činný výkon tedy platí:
,
kde U…efektivní hodnota napětí, I…efektivní hodnota proudu, cos φ…účiník, φ…fázový posuv mezi napětím a proudem. Pro výkony střídavého proudu lze odvodit vztah:
,
kde U1 ,U2, U3…fázová napětí, I1 ,I2, I3…fázové proudy, φ1, φ2, φ3…fázové posuvy. Podle Blondelova teorému lze určit potřebný počet wattmetrů ke správnému měření výkonu. V 
n-vodičové soustavě měříme výkon nejméně n-1 wattmetry.
Celkový činný výkon trojfázové soustavy se spočítá:
,
kde kw1, kw2…konstanty wattmetru a αw1,αw2…výchylky wattmetru.
Jalový výkon v trojfázových soustavách:
Jalový výkon trojfázového proudu je roven:
Napěťové cívky wattmetrů jsou zapojeny na sdružená napětí. V souměrné třífázové soustavě platí pro sdružená
a fázová napětí:
.
Sdružené napětí U12 je fázově posunuto o 90° oproti fázovému U3 atd…
Jalové výkony v jednotlivých fázích určíme podle vztahů:
,
Celkový jalový výkon se tedy spočítá:
.
Vypracování:
První způsob měření na jednofázové soustavě:
Druhý způsob měření na jednofázové soustavě:
Měření výkonu v trojfázové čtyřvodičové souměrné soustavě napětí třemi wattmetry:
U12 = U23 = U31 = 80V
Činný výkon:Jalový výkon:
I1 = 0,46AU1 = 45VI1 = 0,47AU1 = 45V
I2 = 0,20AU2 = 46VI2 = 0,19AU2 = 46V
I3 = 0,97AU3 = 42VI3 = 0,97AU3 = 42V
I0 = 1,22AI0 = 1,22A
α1 = 6→P1 = 6Wα1 = 35→Q1 = 35W
α2 = 7→P2 = 7Wα2 = 5→Q2 = 5W
α3 = 41→P3 = 41Wα3 = 3→Q3 = 3W
P =P1+P2+P3 =54W Q =Q1+Q2+Q3 =43W
Závěr:
Vzhledem k nedostatku času nebyla úloha proměřena všemi metodami, které jsou uvedeny v zadání.
První tabulka byla proměřena pouze do 1A, vzhledem k zapojení a vybavení nešel, nastavit vyšší proud.
Výsledky měření jsou s mírnými odchylkami, které byly způsobeny především teplotními podmínkami
v laboratoři, zaokrouhlováním výsledků při výpočtech a nepřesností při odečítání z měřících přístrojů.
Podle teoretického rozboru lze výsledky považovat za správné, i přes toleranční odchylky. Z grafů pro relativní chybu měření u jednofázových zapojení vyplývá, že první způsob měření (první tabulka) má menší relativní chybu a je tedy přesnější. Na grafu pro druhou metodu měření relativní přesnosti je vidět skok při přepnutí měřících rozsahů u vyšších hodnot napětí a proudů.


I1ZU1P1PaPw1(P1P1z(P1(kA(kV(kWWWWW%400,5/1000,22765/13013,51130/1202,750,10,2040,3042,44612,42600,5/1000,34965/13024,52930/1207,250,230,4590,6846,56610,42800,5/1000,48065/130406330/12015,750,40,8161,21614,5348,371000,5/1000,511665/1305811530/12028,750,6251,2751,926,857,0810010,555155251250,150,3250,47524,5251,90,610,674174451450,2160,4680,68444,3161,540,710,792192641640,2940,6370,93163,0691,470,8810,81111111891890,3840,8321,21687,7841,38


I1ZU1P1PaPw1(P1P1z(P1(kA(kV(kWWWWW%370,5/1000,15510110860*05/12020,0940,0290,123370,5/10062,50,5/1000,3125201202560*0,5/1206,250,3770,1270,50462,50,5/100800,5/1000,4301304860*05/120120,8490,2081,057800,5/100960,5/1000,48401407660*0,5/120191,5090,2991,808960,5/1000,5510,55501505560/12027,52,3580,3932,7510,5510,6210,62601607460/120373,3960,4993,8950,62110,5760160351351,6980,4222,1210,5710,6470170451452,3110,5322,8430,5710,6410,780180561563,0190,6373,6560,6410,710,7690190681683,8210,754,5710,710,7610,821001100821824,7170,8745,5910,7610,8210,881101110971975,7081,0076,7150,821

PAGE 1


PAGE 1





Předmět
BMVE
Jméno
Tomáš Dus
Ročník
2
Studijní skupina
51
Spolupracoval
Petr Bárta
Radim Bartek
Měřeno dne
14.10.2003
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
2.
Měření pomocí analogového
osciloskopu
Úkol
1. Provést výchozí nastavení osciloskopu OS 5020 nebo OS 5040 pro jednokanálové měření (seznámení se s ovládacími prvky osciloskopu, DC, AC vazba vstupů, interní, externí synchronizace časové základny, volba rychlosti časové základny, ….)
2. Zobrazit kalibrační napětí osciloskopu OS 5020 nebo OS 5040, zkalibrovat sondu a vyhodnotit velikost a frekvenci kalibračního napětí.
3. Pomocí osciloskopu OS 5020 nebo OS 5040 nastavit generátor NEWTRONICS 200MP tak, aby generoval:
a) sinusový signál o velikosti 1,2 Vp-p a frekvenci 20 kHz
b) obd. signál s mezivrcholovou hodnotou 2 V a frekvencí 2 kHz.
4. Změřit srovnávací metodou kmitočet kalibračního napětí osciloskopu OS 5020 nebo OS 5040 pomocí generátoru TESLA BM 492.
Teoretický rozbor
Osciloskop je zařízení, které slouží především k zviditelnění průběhu proměnného elektrického signálu v čase. Je možné pomocí něj sledovat průběhy proudů, napětí a dalších veličin, které je možné převést na napěťový signál (např. sledování hysterezí smyčky magnetického materiálu, VA charakteristiky polovodičových součástek, akustické kmity, atd.). V elektronice se osciloskop využívá na měření hodnoty napětí, proudu, měření frekvence a doby periody a na měření fázového posunu mezi signály. Nejdůležitější částí osciloskopu je zobrazovač .Na zobrazovači se průběh vykreslí tak, že na svislé ose (Y) je znázorněna okamžitá velikost měřeného napětí a na vodorovné ose (X) čas od určitého okamžiku, který určují spouštěcí obvody. Druhou možností je zobrazení závislosti jednoho napěťového signálu na druhém (XY zobrazení).
Základní rozdělení osciloskopů:
1. Podle způsobu zpracování měřeného signálu:
a) analogové – vstupní signál přímo ovládá činnost obrazovky (jsou levnější)
b) číslicové – vstupní signál se v A/D převodníku převede na číslicový signál a dále se zpracovává v této podobě.
2. Podle frekvenčních vlastností
a) se zřetelem na dolní mezní frekvenci – střídavé a stejnosměrné
b) se zřetelem na horní mezní frekvenci – nf osciloskopy a vf osciloskopy
Základními částmi osciloskopu jsou:
a) Obrazovka – většinou je to obrazovka s elektrostatickým vychylováním elektronového paprsku. Elektrostatické vychylování je použito proto, aby bylo vychylování rychlé (možnost zobrazovat i vf průběhy). Nevýhodou elektrostatického vychylování oproti magnetickému, které je použito například
v televizorech, je nutnost většího napětí na vychylovacích elektrodách a nemožnost tak velkého vychylovacího úhlu.
b) Zesilovače - obrazovka osciloskopu má dva vychylovací systémy – pro osu X a pro osu Y. Na oba tyto vychylovací systémy se přivádí zesílené napětí ze zesilovače pro osu X a pro osu Y. Zesílení jak vertikálního zesilovače, tak i horizontálního zesilovače je možné měnit. Vertikální zesilovač musí mít vysoké a regulovatelné zesílení, protože vstupní signál má malou úroveň, velkou šířku přenášeného pásma, které je potřebné pro zobrazování signálu od velmi nízkých až po velmi vysoké
frekvence. Proto jsou zesilovače u osciloskopu většinou jednosměrné. Dalším požadavkem na zesilovač je minimální fázové a tvarové zkreslení, které je potřebné vzhledem k zachování věrnosti přenosu signálu v celé šířce přenášeného pásma. Vstupní impedance vertikálního zesilovače je obvykle 1 MΩ s paralelní vstupní kapacitou 10 – 40 pF. Horizontální zesilovač by měl mít obdobné parametry jako vertikální, ale postačuje menší zesílení a menší šířka přenášeného pásma, protože
horizontální zesilovač přenáší většinou jen napětí z generátoru časové základny.
c) Časová základna - na vstup zesilovače pro osu X je navíc možné připojit vnitřní generátor lineárně vzrůstajícího napětí ve tvaru zubu pily, které pak může rozmítat elektronový paprsek podél osy Y .Je možné měnit rychlost vzrůstu pilovitého napětí, což vede ke změně časového měřítka rozmítání. Proto se generátoru pilovitého napětí říká časová základna osciloskopu.
Rozdělení časové základny:
• Volnoběžná (AUTO) – pokud po skončení zpětného běhu následuje další aktivní běh paprsku, mluvíme o volnoběžné časové základně, u které má napětí periodický pilovitý průběh. Tato časová základna je vhodná pro zobrazování periodicky se opakujících průběhů. Je ale třeba zabezpečit
synchronizaci a to pomocí synchronizačních impulsů.
• Spouštěná (NORM) – pokud není sledovaný průběh periodický, nebo jde o jednorázový jev, je potřeba použít spouštěnou časovou základnu. Ty vytvoří pilovitý impuls jenom na pokyn spouštěcího impulsu.
Srovnávací metoda měření frekvence
Srovnávací metoda měření frekvence vyžaduje, aby byl k dispozici zdroj signálu o známém kmitočtu fn. Principem této metody je porovnávání měřeného signálu o neznámém kmitočtu fx se signálem se známým kmitočtem fn. Tuto metodu lze provádět pomocí dvoukanálového osciloskopu, kdy se na jeden vstup X1 přivede měřený signál s neznámým kmitočtem fx, na druhý kanál X2 se přivede signál o známém kmitočtu fn. Synchronizace se volí z kanálu X1. Kmitočet fn měníme tak dlouho, až jsou délky obou signálů stejné. Nestačí ale pouhé zastavení obrazu signálu na vstupu X2, protože toto zastavení pouze signalizuje, že frekvence jsou v poměru celých čísel. Hodnota hledan