Měření v elektrotechnice - Lab.cviceni -skripta

Měření v elektrotechnice
Laboratorní cvičení
Garant předmětu:
Doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.
Autoři textu:
Ing. Marie Havlíková
Ing. Soňa Šedivá, Ph.D.
Brno
21.9. 2007
Obsah
_Toc146678861 \h 8
Vstupní test
RLINK \l "_Toc146678867" 3.2Záznam o měření:
8869 \h 12
EF _Toc146678871 \h 14
_Toc146678874 \h 14
678877" 4.2.3.1Výpočet chyb metody
\l "_Toc146678882" 4.5Závěr
PAGEREF _Toc146678884 \h 21
INK \l "_Toc146678887" 5.2.2Měření vstupního odporu voltmetru
678892" 5.5Závěr
h 29
146678897 \h 32
6.2.5Měření doby náběžné a sestupné hrany
ERLINK \l "_Toc146678903" 6.5Závěr
PAGEREF _Toc146678905 \h 36
HYPERLINK \l "_Toc146678911" 7.2.3.2Číslicové metody měření kmitočtu
h 41
_Toc146678918 \h 45
Vzorkování
oda
PAGEREF _Toc146678926 \h 52
29" 9.2Teoretický rozbor
c146678931 \h 54
" 9.2.2.1Přímá metoda měření kapacity

F _Toc146678939 \h 57
e)

PERLINK \l "_Toc146678950" 10Laboratorní cvičení č. 7 – Měření jednofázového výkonu
PAGEREF _Toc146678952 \h 68
PERLINK \l "_Toc146678955" 10.4Postup měření
l "_Toc146678960" 11.2.1Vliv sítě [7]
slení
ERLINK \l "_Toc146678965" 11.4Postup měření
AGEREF _Toc146678967 \h 79
 HYPERLINK \l "_Toc146678968" 12.1Osciloskop OS 5020 [11] PAGEREF _Toc146678968 \h 79
 HYPERLINK \l "_Toc146678969" 12.2Osciloskop EZ OS 5040 [12] PAGEREF _Toc146678969 \h 80
 HYPERLINK \l "_Toc146678970" 12.3Osciloskop Agilent (HP) 54600A PAGEREF _Toc146678970 \h 82
 HYPERLINK \l "_Toc146678971" 12.4Digitální osciloskop Tektronix TDS 210 PAGEREF _Toc146678971 \h 83
 HYPERLINK \l "_Toc146678972" 12.5Čítač Agilent (HP) 53131A
974 \h 88
 HYPERLINK \l "_Toc146678975" 12.8Multimetr METEX M-3850 PAGEREF _Toc146678975 \h 91
 HYPERLINK \l "_Toc146678976" 12.9Digitální multimetr METEX M-3890D PAGEREF _Toc146678976 \h 92
 HYPERLINK \l "_Toc146678977" 12.10Multimetr ESCORT EDM-83BS PAGEREF _Toc146678977 \h 94
 HYPERLINK \l "_Toc146678978" 12.11Milivoltmetr TESLA BM 579 PAGEREF _Toc146678978 \h 96
 HYPERLINK \l "_Toc146678979" 12.12Generátor Agilent (HP) 33120A [3] PAGEREF _Toc146678979 \h 96
 HYPERLINK \l "_Toc146678980" 12.13Generátor TESLA BM 492 PAGEREF _Toc146678980 \h 98
 HYPERLINK \l "_Toc146678981" 12.14Generátor NEWTRONICS 200MSP PAGEREF _Toc146678981 \h 99
 HYPERLINK \l "_Toc146678982" 12.15Stabilizovaný zdroj AUL 310 PAGEREF _Toc146678982 \h 100
 HYPERLINK \l "_Toc146678983" 12.16Laboratorní zdroj STATRON 2223D PAGEREF _Toc146678983 \h 101
 HYPERLINK \l "_Toc146678984" 12.17Střídavý zdroj DIAMETRAL AC250K1D
F _Toc146678986 \h 103
9" 12.22Laboratorní střídavý zdroj LTC 602
rgie ENERGY MONITOR 3000
146678994" 13.1Výsledky testů
Seznam obrázků
TOC \h \z \c "Obrázek"
1626" Obrázek 3: Voltmetr měří napětí zátěže
ciloskopu PAGEREF _Toc146541630 \h 30
 HYPERLINK \l "_Toc146541631" Obrázek 8: Funkce sondy PAGEREF _Toc146541631 \h 31
 HYPERLINK \l "_Toc146541632" Obrázek 9: Kompenzace sondy PAGEREF _Toc146541632 \h 31
 HYPERLINK \l "_Toc146541633" Obrázek 10: Definice náběžné a sestupné hrany
GEREF _Toc146541640 \h 46
46
644 \h 54
 HYPERLINK \l "_Toc146541645" Obrázek 22: Náhradní schéma kondenzátoru – sériové a paralelní PAGEREF _Toc146541645 \h 55
 HYPERLINK \l "_Toc146541646" Obrázek 23: Náhradní schéma cívky – a) sériové, b) paralelní PAGEREF _Toc146541646 \h 56
 HYPERLINK \l "_Toc146541647" Obrázek 24: Vzájemná indukčnost
Toc146541649 \h 61
AGEREF _Toc146541651 \h 69
"_Toc146541655" Obrázek 32: Frekvenční závislost činitele potlačení H
skop OS 5040
AGEREF _Toc146541659 \h 83
146541661 \h 84
HYPERLINK \l "_Toc146541664" Obrázek 41: Menu čítače pro nastavení spouštění (Trigger)
541666" Obrázek 43: Popis čelního panelu multimetru Agilent (HP) 34401A
01A
h 93
95
" Obrázek 54: Generátor Agilent (HP) 33120A
oru TESLA BM 492
681 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc146541684" Obrázek 61: Ovládací panel měřiče RLCG Tesla BM 591
41686" Obrázek 63: Čelní panel měřiče impedancí BM 507
GY MONITOR 3000

Úvod
Tato elektronická skripta slouží jako základní pomůcka a podklad pro přípravu studentů v kurzu Měření v elektrotechnice. Tento díl elektronických skript „Měření v elektrotechnice – laboratorní cvičení“ se týká laboratorních úloh, jejichž výuku zajišťuje Ústav automatizace a měřicí techniky.
Prudký rozvoj elektroniky a zejména číslicové techniky v posledních letech výrazně poznamenal i elektrická měření a přístrojovou techniku. Z tohoto důvodu se analogové elektromagnetické přístroje používají v současnosti většinou pouze jako průmyslové provozní přístroje. I zde však dochází k rozšíření číslicových měřicích přístrojů. Právě z důvodu rozvoje a použití elektroniky v měřicích přístrojích, mění se jejich architektura a je možné využít přístroje i pro dříve nerealizovatelná měření.
Vzhledem k tomu, že tento kurs je při studiu na fakultě ve druhém ročníku a bude tudíž jedním z prvních praktických setkání studentů s elektronickými měřícími přístroji, je obsah těchto návodů uzpůsoben tak, aby se studenti seznámili s funkcí, vlastnostmi, použitím a obsluhou elektronických měřicích přístrojů. K tomuto cíli jsou zaměřena všechna laboratorní cvičení. U všech návodů do měření je kromě úkolů, které by studenti během laboratorního cvičení měli vypracovat, také stručný teoretický rozbor použité metody měření nebo způsob práce měřicího přístroje. Dále je vždy uveden soupis použitých měřicích přístrojů a podrobný popis postupu při měření. V závěrečných kapitolách práce je popsáno ovládání používaných přístrojů v laboratořích měření na Ústavu automatizace a měřicí techniky (je zde zobrazen hlavní panel a postup nastavování základních parametrů a způsoby měření).
Je rovněž důležité, aby si studenti vypěstovali určité návyky, velmi potřebné při práci v elektronické laboratoři, jako je např. účelné uspořádání pracoviště, zapojování měřicího obvodu, obsluha přístrojů, dodržování zásad bezpečnosti, udržování pořádku a přehlednosti na pracovišti, vedení záznamů z měření a vypracování protokolů. K tomu všemu by laboratorní cvičení měla přispět.
Teoretické rozbory a některé použité obrázky ve skriptech vycházejí z literatury, jejíž seznam je uveden v závěru skript.
Zařazení předmětu ve studijním programu
Skripta jsou určena pro studenty druhého ročníku bakalářského studijního programu ve všech oborech na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno.
Úvod do předmětu
Laboratorní cvičení z předmětu Měření v elektrotechnice vycházejí z látky probírané na přednáškách. Hlavním úkolem cvičení je seznámit studenty se základními měřicími přístroji (analogovými i číslicovými) a se základními měřicími metodami a to v praktickém provedení, aby si osvojili práci s měřicími přístroji v laboratořích.
Návody do jednotlivých laboratorních cvičení mají v podstatě shodnou strukturu. Na začátku každé hlavní kapitoly, která je věnována vždy jedné samostatné laboratorní úloze je uveden cíl měření a seznam úkolů, které by měli studenti ve cvičení zpracovat. Dále následuje část věnovaná teoretickému rozboru dané problematiky, kde jsou krátce zmíněny teoretické základy daného problému, použité měřicí metody a principy použitých měřicích přístrojů, jakož i odkazy na přednáškové skripta a další literaturu, kde je možno se detailněji seznámit s danou problematikou. V další části je uveden postup měření, kterým by se studenti měli řídit, aby úlohu byli schopni správně zapojit a změřit požadované úkoly. Studenti zde najdou i informace, jak vést záznam z měření a jak zpracovat naměřené hodnoty, aby byly splněny požadavky zadání.
Tyto návody by neměly nahrazovat přednášková skripta, proto je teoretická část uvedena jen krátce s cílem zavést studenty rychleji do problematiky každého laboratorního cvičení.
Důraz je kladen na praktickou stránku, a proto jsou v přílohách uvedeny detailně popisy přístrojové desky měřicího přístroje, ovládání přístroje, volby menu přístrojů atd. Samozřejmě se jedná pouze o základní práci s přístrojem, kterou studenti potřebují zvládnout, aby mohli přístroj obsluhovat. Podrobný popis ovládání přístrojů i s detailním popisem menu nebo dalších funkcí najdou studenti v manuálech k daným přístrojům (firemní literatura), které jsou k dispozici v laboratořích.
Vzhledem k inovaci laboratorních úloh se v textu skript mohou vyskytovat drobné chyby, které byly i přes velkou snahu přehlédnuty. Za upozornění na ně autorky textu děkují.
Vstupní test
Co to je chyba měření? Jaké chyby měření znáte? Jak se vypočte absolutní a relativní chyba měření?
Co je to kondenzátor a jak je definována kapacita kondenzátoru?
Co to je indukčnost?
Jak se vypočte indukčnost solenoidu?
Co to je ideální zdroj napětí? Jaký je rozdíl mezi reálným a ideálním zdrojem napětí?
Obecné pokyny pro laboratorní cvičení
Účelem laboratorních cvičení je, aby se studenti seznámili:
S funkcí, vlastnostmi, principem zapojení a obsluhou předložených měřicích přístrojů.
S měřicími metodami, způsoby měření a určování jednotlivých veličin
Se způsobem vedení záznamů z měření, s formou zpracování výsledků měření a jejich zhodnocením.
Postup práce v laboratoři
V laboratořích smějí pracovat pouze studenti s platným přezkoušením z § 4 a výše Vyhlášky č. 50/1978 Sb. pod dohledem či dozorem učitele.
Studenti musí být seznámeni v úvodní hodině s provozním řádem laboratoře. Bez absolvování úvodního cvičení není možná účast v laboratorních cvičeních a nelze udělit zápočet.
Studenti mají povolen vstup do laboratoře pouze v přezůvkách. Boty a svršky si odkládají na určené místo.
Pro laboratorní cvičení je povinností studenta si vést sešit, který bude sloužit studentovi k průběžnému vedení záznamů z měření po celý semestr. Sešit bude na čelní straně opatřen čitelným podpisem, aby nevznikly žádné pochybnosti o jeho vlastnictví.
Není přípustné vypracování záznamů z měření na volné listy a to z důvodu zamezení častého kopírování záznamů a následnému obtížnému dokazování autorství.
Student se na každou úlohu připraví tak, aby znal, co je náplní cvičení, jaký je úkol laboratorního cvičení, jak při měření postupovat, jaké měřící přístroje budou sloužit k měření a jaké měřící metody bude během cvičení používat. Přípravu student vypracovává předem písemně do sešitu a bez ní není možné laboratorní cvičení absolvovat. Teoretické znalosti dané problematiky musí student prokázat během laboratorního cvičení. Zjistí-li vyučující při ústních dotazech zásadní nepřipravenost studenta, student nebude moci dále pokračovat ve cvičení a toto cvičení absolvuje po dohodě s vyučujícím v náhradním termínu podle časového harmonogramu výuky.
Pracoviště jsou v laboratoři označena čísly a názvy úloh Na každém pracovišti jsou připraveny všechny potřebné přístroje,  přípravky, dokumentace k měřícím přístrojům a studenti mají k dispozici i výtisk kompletního znění jednotlivých laboratorních úloh. S měřicími přístroje je nutné zacházet šetrně a studenti musí dbát pokynů vyučujícího. Pokud je u některého přístroje napsáno, že s připojeným konektorem nebo koaxiálním kabelem nemá být manipulováno, musí to studenti dodržovat. Je nutné si pořídit seznam použitých přístrojů. Název, typ, výrobce a výrobní číslo jsou uvedena na zvláštním seznamu, který je k dispozici na pracovišti a studenti si z něho pouze opíší údaje, aby se předešlo nadměrné manipulaci s měřícími přístroji. Před uvedením přístrojů do chodu se doporučuje přístroje nastavit na nejmenší citlivost (nejvyšší rozsah), zdroje signálu na nejnižší hodnotu výstupního napětí a napájecí zdroje na předepsanou hodnotu napájecího napětí. Během propojování přístrojů se postupuje tak, aby se vyloučila možnost úrazu nebo zničení přístroje.
Na pracovištích se přístroje nesmí zakrývat a přemisťovat.
Jestliže studen zjistí, že určitá část úlohy chybí (přípravek, dokumentace, návod, přístroj) musí to ihned oznámit vyučujícímu, jinak se vystavuje nebezpečí, že bude označen za původce ztráty se všemi důsledky.
V případech, kdy je v návodu cvičení řečeno, že zapojení je nutné nechat zkontrolovat vyučujícím, nebudou studenti zapojovat obvod ke zdroji. V ostatních případech si studenti sami provedou kontrolu zapojení úlohy.
Na závěr laboratorního cvičení předloží student své záznamy z měření ke kontrole dohlížejícímu pedagogickému pracovníkovi, který z důvodů evidence opatří záznam z měření razítkem ústavu s datem účasti na laboratorním cvičení.
Po ukončení měření student je povinen uvést pracoviště do původního stavu, zejména rozpojit měřící úlohu, odnést na určené místo propojovaní šňůry, srovnat přehledně na stole měřící přípravky a dokumentaci k měřícím přístrojům.
Přístroje se síťovým napájením se kromě napájecích zdrojů nevypínají!
Přístroje s bateriovým napájením vypínat ihned po skončení měření!
Záznam o měření:
Záznam o měření z každé laboratorní úlohy student zaznamenává písemně do pracovního sešitu. Záznamy z měření jsou posuzovány pouze z věcného hlediska co do úplnosti a správnosti. Důraz je kladen především na to, aby se student naučil správně a jednoznačně zaznamenat průběh měření, který bude srozumitelný pro jinou měření nezúčastněnou osobu. Psaný záznam musí být čitelný v opačném případě nebude záznam bodově ohodnocen.
Základní body záznamu o laboratorním cvičení jsou:
číslo a název laboratorní úlohy
datum měření
zadání laboratorní úlohy, je povoleno i vlepení kopie zadání úlohy ze skript.
stručná a výstižná příprava, psaná pouze ručně, kopie nejsou přípustné! Při vypracovávání přípravy studenti vycházejí ze studijních materiálů pro kurs (monografie, skripta předmětu, firemní literatura, firemní www stránky a skripta určených pro laboratorní cvičení).
Seznam použitých přístrojů a přípravků, je studentovi k dispozici na laboratorním stole u každé úlohy i s výrobními čísly přístrojů.
Naměřené hodnoty musí student psát ručně propisovací tužkou a v čitelné podobě. Cílem je zaznamenat naměřené hodnoty jednoznačně a přehledně tak, aby bylo zřejmé, jakým přístrojem, na jakém měřícím rozsahu, byla daná hodnota změřena a aby bylo možné měření znovu realizovat ve stejné konfiguraci a stejným pracovním postupem.
Zpracované výsledky měření v podobě výpočtů, tabulek a grafů může student vypracovat v rámci domácí přípravy.
Tabulky naměřených a vypočtených hodnot je třeba uspořádat čitelně a přehledně. V hlavičce tabulky je nutné uvádět veličiny i s jednotkami (podle ustálených zvyklostí v SI soustavě). Při výpočtu určitých hodnot je potřeba připojit příklad výpočtu.
Grafické zpracování výsledků měření je nutno provést vždy, když výsledkem měření je funkční závislost. Optimální je pořizovat během měření orientační graf, který odhalí, zda nedošlo k neočekávané odchylce, či zda není potřeba zvýšit v některé měřené oblasti hustotu měřených bodů. Grafy musí odpovídat daným zvyklostem a předepsané úpravě. Každý graf vyjmutý ze zprávy o měření musí být po informativní stránce zcela soběstačný, tzn. musí být opatřen výstižným názvem (obvykle shodným s názvem tabulky), osy grafu je potřeba popsat a v případě zakreslení více průběhů do jednoho grafu, je potřeba průběhy vhodným způsobem označit. Grafy je možné vypracovat na milimetrový papír nebo je vytisknout z počítače, v tomto případě si je student vlepí nebo jinak neodstranitelně umístí do sešitu.
Závěr a zhodnocení měření má být stručný a výstižný, student by měl vycházet ze zadání měření a zhodnotit především dosažené výsledky svého měření. Zhodnocení měření nesmí být formální, mělo by být zaměřeno zejména na průběh a výsledky měření, vhodnost různých metod, rozsah použitelnosti měřených přístrojů, možnosti zlepšení, popřípadě i závady, které se během měření vyskytly nebo srovnat naměřené hodnoty s údaji výrobce (pokud jsou k dispozici).
Do sešitu si student může dle vlastního uvážení zaznamenat i další záznamy, které student považuje za důležité jako např. pracovní postup, nastavení přístrojů, popis ovládacích prvků přístroje. Toto je nepovinná část záznamu a nebude hodnocena vyučujícím.
Vzorový protokol
Během semestru odevzdá student 2 vzorové protokoly:
první protokol ze sady  úloh 1-4.
druhý ze sady úloh 5.-8.
Musí být zcela jednoznačné, že naměřené hodnoty uvedené v protokolu vycházejí z pracovního záznamu v sešitě studenta.
Vzorový protokol je hodnocen po formální i obsahové stránce. Hodnocena bude volba a popis měřící metody, odvození vztahů, správnost výpočtu a postup měření. Při hodnocení bude kladen důraz na správnost zápisu naměřených hodnot, zdůvodnění a zhodnocení výsledků měření (i chybného měření, které při odpovídajícím a správném zdůvodnění, nebude negativně hodnoceno). Hodnocení podléhá rovněž grafická úprava protokolu, výrazové prostředky studenta a gramatická úroveň.
Každý ze vzorových protokolů je hodnocen maximálně 4 body.
Podmínky pro udělení zápočtu
Odcvičení všech 8 laboratorních cvičení. V případě, že se student nemůže z vážných důvodů měření zúčastnit, je možno po domluvě s vyučujícím nahradit cvičení s jinou skupinou nebo v termínu náhradního cvičení.
Průběžné vedení písemných záznamů ze všech laboratorních cvičení do pracovního sešitu, který student předloží u zápočtu.
Odevzdání dvou vzorových protokolů z laboratorních cvičení.
Bodové hodnocení laboratorních cvičení
V laboratorních cvičeních lze získat max. 40 bodů, z toho :
8 bodů za 2 vzorové protokoly, jeden vzorový protokol je hodnocen maximálně 4 body.
16 bodů za vypracování 8 laboratorních úloh, jedna laboratorní úloha může být hodnocena max. 2 body, hodnotí se každá úloha, tedy i úloha, ze které student vypracuje vzorový protokol.
16 bodů za 2 testy, jeden test je hodnocen max. 8 body
Laboratorní cvičení č. 1 – Kontrola měřicího přístroje, chyby přímých a nepřímých měření
Cíle kapitoly:
Cílem laboratorního cvičení s názvem Kontrola měřicího přístroje, chyby přímých a nepřímých měření je seznámit studenty se zpracováním naměřených hodnot z hlediska chyby metody a chyb měřicích přístrojů, s měřením nelinearity voltmetru a s nepřímým měřením výkonu stejnosměrného proudu.
Úkoly:
Pomocí referenčního multimetru HP (Agilent) 34401A změřte korekční křivku multimetru METEX M-3890D na rozsahu 4 V DC, jako zdroj stejnosměrného napětí použijte stabilizovaný zdroj STATRON 2223.
Stanovte korekční křivku multimetru METEX M-3890D na rozsahu 4 V DC.
Vypočítejte a graficky znázorněte absolutní a relativní chyby při měření napětí multimetrem METEX M-3890D na ověřovaném rozsahu 4 V DC za předpokladu, že referenční hodnoty udává multimetr HP 34401A.
Změřte výkonovou charakteristiku odporové zátěže R=100 Ω nepřímým měřením pomocí voltmetru a ampérmetru v obou možných zapojeních viz \h Obrázek 2,
analogovými přístroji (multimetry DU 20),
číslicovými přístroji (multimetr HP 34401A, METEX M-3890D).
Při měření výkonu v zapojení, kdy ampérmetr měří proud zátěže Iz, nastavujte hodnoty proudu v rozsahu 0 – 50 mA po kroku 5 mA.
Při měření výkonu v zapojení, kdy voltmetr měří napětí zátěže Uz, nastavujte hodnoty napětí v rozsahu 0 – 6 V po kroku 0,5 V.
Z naměřených hodnot vypočtěte pro obě zapojení a pro analogové i číslicové přístroje absolutní a relativní chybu metody ∆P , δP, absolutní a relativní mezní chyby měřících přístrojů ∆MA, ∆MC, δMA, δMC, absolutní a poměrnou chybu údaje měřicích přístrojů při nepřímém měření výkonu ∆M, δM, mezní absolutní a relativní chybu nepřímého měření výkonu s danými měřidly ∆Max, δMax.
Teoretický rozbor
Chyby měření
Chyba měření je odchylka měřené hodnoty měřené veličiny XM od správné hodnoty měřené veličiny XS. Jejími součástmi jsou velikost a znaménko. Chyba charakterizuje přesnost měření. Vyjadřuje se jako absolutní nebo relativní chyba.
Absolutní chyba (() se