лабораторная работа по электротехнике. Измерение электрических величин и параметров элементов электрических цепей

• Название: Измерение электрических величин и параметров элементов электрических цепей
• Анкор: лабораторная работа по электротехнике
• Дата: 29.09.2022
• Размер: 300.5 Kb.
• Имя файла: Lr1_1.doc
• Тип: Документы; #704249

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источниками питания и осциллографом программной среды NI Multisim (версий MS8SD или MS10…MS14).

2. Изучить методы и приобрести навыки измерения тока, напряжения, мощности, угла сдвига фаз между синусоидальным напряже­ни­­ем и током, а также сопротивлений резисторов, индуктивностей индуктивных катушек и ёмко­стей конденсаторов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата различают прямые, косвенные, совмест­ные и совокупные измерения.

При прямом измерении искомое значение вели­­­­­­чины находят непосредственно из опытных данных в результате выпол­нения измерения; например, измерение амперметром тока в ветви цепи.

При косвенном измерении ис­комое значение величины находят на осно­вании известной зависи­мости между измеряемой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям; например, определение сопротивления R резистора из уравнения R = U/I, в которое подставляют изме­ренное значение напряжения U на зажимах резистора и протекающего через него постоянного тока I.

Совместные измерения  одновременные измерения нескольких не­одноимённых величин для нахождения зависимости между ними; например, определение зависи­мости сопротивления резистора от температуры по формуле R_t = R₀(1 + аt+ bt²) посредством измерения сопротивления резистора R_t при трех различных температурах t. Составив систему из трех ура­в­нений, находят пара­метры R₀, a и b зависимости сопротивления резистора от температуры.

Совокупные измерения  одновременные измерения нескольких одно­именных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, составленных из результатов прямых измерений различных сочетаний этих величин; например, определение сопротивлений резисто­ров, соединенных треугольником, посредством измерения сопротивлений между различными вершинами треугольника. По результатам трех измерений по известным соотношениям определяют сопротивления резисторов треугольника.

Различают также аналоговые и дискретные измерения. При аналоговых измерениях на заданном интервале число измерений электрической величины бесконечно, а при дискретных  число измерений конечно.

В зависимости от способа применения меры известной величины, вы­деляют при измерениях метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. При методе непосредственной оценки значе­ние измеряемой величи­ны определяют непосредственно по отсчётному устройству (индикатору) измерительного прибора; например, изме­рение напряжения с помощью вольтметра. Методы сравнения с мерой  методы, при которых проводится срав­­­нение измеряемой величины и величины, воспроиз­водимой мерой; нап­­ри­мер, изме­рение сопротивления резистора с помощью моста сопротивле­ний.

Ниже кратко описываются виды и способы измерения электрических величин и параметров компонентов схем электронных устройств с помощью моделей измерительных приборов программной среды моделирования и анализа электрических схем Multisim Student Demo 8 (MSSD8) или NI Multisim 10…14 (в дальнейшем, для краткости, эту систему будем называть среда MS10).

2. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Мгновенные значения напряжения и тока можно измерить с по­мо­щью двухканального осциллографа XSC1, имитируемого программой MS10. Схе­­ма подключения осциллографа к цепи рассмотрена в краткой инструкции работы в среде Multisim (см. демонстрационные кадры, запускаемые при щелчке мышью на кнопках Помощь/Первые шаги в MS10 меню пользовательского интерфейса программного комплекса Lab­works).

И
змерение действующих значений напряжения и тока в ветвях электрической це­пи проводит­ся вольтметрами и амперметрами. Амперметр включается последовательно с элементами участка цепи, а вольт­метр  параллельно участку (рис. 1.1, а и б), напряжение на котором необходимо измерить. Модели амперметров и вольтметров среды MS10 не требуют установки диапазона измерений.

Для установки режима работы и величин внутренних сопротивлений (Resistance) амперметров А1, А2 и вольт­метров V1, V2 нужно дважды нажать на левую клавишу мыши (в дальнейшем, дважды щелкнуть мышью) на изображении соответствующего прибора и в открывшемся диалоговом окне свойств прибора установить в команде Mode режим работы (постоянный ток DC или переменный AC), изменить или оставить установленное по умолчанию внутреннее сопротивление прибора (1 нОм для амперметров и 10 МОм для вольтметров) и нажать на кнопку ОК (Принять). Внутренние сопротивления 1 нОм для амперметров и 10 МОм для вольтметров, устано­влен­ные по умолчанию, в большинстве случаев оказывают пренеб­ре­жи­тель­но малое влияние на работу схем.

В
библиотеке Instruments среды MS10 или MSSD8 имеется мультиметр ХММ1 (рис. 1.1, а), используемый для измерения тока, напряжения и сопро­тивления. В схеме (рис. 1.1, а) мультиметр, работающий в режиме измерения напряжения, подключается к зажимам резистора R1 с помощью ключа S, управляемого клавишей S клавиатуры. В модели мультиметра ХММ1 нужно установить род тока (постоянный "" или переменный ""), измеряемую величину по единице измерения: A  ток,V  напряжение, сопротивление, dB  уровень напряжения в децибелах и другие параметры (SETTINGS) (см. рис. 1.2 справа).

В реальных цепях для расширения диапазона измерения тока конкретным амперметром применяют шунт (тариро­ванный резистор), включаемый парал­лель­но с амперметром. В этом случае значение измеряемого то­ка равно показанию амперметра, умноженному на постоянный коэф­фи­ци­ент, определяемый по правилу делителя тока. При измерении больших переменных токов используют измерительный транс­форматор тока, первичная обмотка ко­торого включается в ветвь с измеря­емым током, а вторич­ная  замкнута на ам­перметр. Значение измеряемого тока равно показанию амперметра, умноженную на константу, определяемую коэффициентом транс­фор­­мации тока измерительного трансформатора.

С целью расширения диапазона измерения напряжения конкретным вольт­метром последовательно с его входом включают тарированный ре­зи­стор. В этом случае значе­ние измеряемого напряжения равно показанию вольтметра, умноженному на коэффициент, определяемый по правилу делителя напряжения. При измерении высоких напряжений переменного тока используют измерительный транс­форматор напряжения, к вторичной обмотке которого подключают вольт­метр. Измеряемое напря­жение равно показанию вольтметра, умноженному на константу, зависящую от коэффициент трансформации напряжения измерительного тран­с­форма­тора.

Примечание. В отдельных случаях при моделировании схем цепей с целью исключения влияния сопротивления амперметра в качестве датчика тока можно использовать идеальный зависимый источник напряжения, уп­рав­ляемый током ИНУТ (см. рис. 1.5), а для исключения влияния сопротивления вольтметра при измерении напряжения  идеальный зависимый источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). Модели зависимых источников энергии размещены в библиотеке Source среды MS10 или MSSD8 (примеры применения зависимых источников даны в работах Lr13 и Lr15).

3. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Для прямого измерения сопротивления резистивного элемента (резисто­ра в том числе) будем использовать мультиметр ХММ2, в диалоговом ок­­не которого нужно установить режим работы "" (постоянный ток), измеряемую величину , значение тока, например, 10 nА (10 нА) при измерении сопротивлений (SETTINGS),и подключить прибор к зажимам отдельного резистора (рис. 1.2) или к параллельно разомкнутому участку резистивной цепи (без источников энергии). При измерении сопротивления между двумя любыми точками схемы цепи, нужно, чтобы хотя бы один из узлов схемы имел соединение с "заземленной" точкой, при этом ветви с идеальными источниками тока должны быть разомкнуты, а идеальные источники напря­жения заменены короткозамкнутыми участками (проводниками).

В практике измерения сопротивлений резистивных элементов, кроме прямых и срав­нитель­ных методов, широко используется так называемый метод вольтметра-амперметра, в основу которого положен закон Ома для цепей постоянного тока (см. рис. 1.1, а и б). Заметим, что этот метод позволяет получить лишь приближенное значение измеряемого сопротивления RU/I. Так, для схемы, изображенной на рис. 1.1, а,

R₁ = U/(IU/R_V),

а для схемы, изображенной на рис. 1.1, б,

R₂ = (UR_АI)/I,

где R_V и R_А  внутренние сопротивления вольтметра и амперметра соответственно.

Анализ приведенных выражений позволяет сделать выводы: первой схемой (рис. 1.1, а) следует пользоваться при измерении сравнительно ма­лых сопротивлений, когда R_V>> R₁, а второй схемой (рис. 1.1, б) – при измерении больших сопротивлений, когда R_А << R₂.

4. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА СДВИГА ФАЗ

Для измерения угла сдвига фазмежду сину­соидальным напряжением и током в реальной цепи используют: измерители разности фаз или так называемый метод вольт­метра-амперметра-ваттметра, при котором угол  определяют из уравнения = arccos(Р/UI), где Р  показание ваттметра, а также методы, основанные на измерении временного интервала t при помощи электронно-лучевого осциллографа.

Временной интервал

t =  / =  / 2f

пропорционален фазовому сдви­­гу между синусоидальным напряжением и то­ком в неразветвлённой цепи (рис. 1.3, а) и обратно пропорционален угловой частоте напряжения (тока).

При этом фазовый угол (в градусах) определяют по формуле

 = 360t/Т,

где T = l/f  период изменения напря­жения в секундах (с); f  ча­­­с­тота пита­ющего цепь напряжения в герцах (Гц).

В
ременной интервал t = t₂ – t₁ обычно измеряют между нулевыми значени­ями осциллограмм напряжения и тока с помощью визирных линий (визиров), расположенных слева и справа от экрана ос­цил­лографа (рис. 1.3, а). Угол j берется со знаком "плюс", если ток отстаёт по фазе от напряжения (см. рис. 1.3, а), и со знаком "минус", если ток опережает по фазе напряжение.

Установка чувствительности ка­налов А (Channel A) и В (Channel B) и развертки осциллограмм во времени (Time base) производится в окне, выводимом ниже поля осциллограмм (см. рис. 1.3, а).

При моделировании схем цепей на рабочем поле программной среды MS10 и их анализе для измерения угла сдвига фаз в цепях переменного тока наряду с осциллографом будем использовать также виртуальный ваттметр XWM1 (рис. 1.3, в), размещённый в библиотеке Instruments. Ваттметр непосредственно измеряет активную мо­щность Р цепи (ветви) в ваттах и коэффициент мощности cos (Power Factor).

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание 1. Изучить краткую инструкцию работы с программной средой MSSD8 или NI Multisim 10 (MS10). С этой целью щелкните мышью на кнопках Помощь/Первые шаги в MS10 ме­ню и просмотрите демонстрационные кадры с объяснениями, как открыть биб­лиотеку компонентов Basic, "перетащить" мышью компоненты на рабочее поле среды MS10, сое­динить их проводниками и установить параметры, изменить цвет проводников; как измерить, с помощью визирных линий осциллографа, временной интервал (сдвиг) t между двумя синусоидальными величинами  напряжением и током и рассчитать угол сдвига фаз между ними.

Задание 2. Открыть библиотеку источников энергии Source и "перетащить" на рабочее поле среды МS10 идеальный источник Е1 постоян­но­го напряжения, затем из библиотеки базовых компонентов Basic "перетащить" четыре резистора R1, …, R4, из библиотеки индикаторов Indicator – амперметр А и четыре вольтметра V1, …, V4, из панели приборов Instruments  мультиметр XMM1, переключатель S из библиотеки Switch/ SPDT, управляемый клавишей S клавиатуры (английский шрифт).

После двойного щел­чка мышью на изображении элемента или прибора в открывающихся диалоговых окнах:

 задать ЭДС источника напряжения Е₁ = N (в вольтах), где N – номер записи фамилии студента в учебном журнале группы;

 обозначить (щёлкая мышью на кнопках Label и Value) резисторы и установить значения их сопротивлений:

R₁ = N; R₂ = 2N; R₃ = 3N; R₄ = 4N;

  задать или оставить установленный по умолчанию режим DС функционирования измерительных приборов и их внутренние сопротивления: 1 нОм для амперметра и 10 МОм для вольтметров;

 задать измеряемую величину Ωмультиметра XMM1 и режим его работы (постоянный ток).

С
оединить параллельно между собой сопротивления R₁ и R₃; R₂ и R₄, и измерить с помощью мультиметра XMM1 сопротивления разветвлений резисторов (см. рис. 1.4, а для варианта 40). Полученные значения сопротивлений занести в поля табл. 1.1 и сравнить со значениями, вычисленными по формулам:

R₁₃ = R₁R₃/( R₁ + R₃) и R₂₄ = R₂R₄/( R₂ + R₄).

Т а б л и ц а 1.1 

Измерено	R13, Ом	R24, Ом	U1, мB	U2, мB	U3, мB	U4, мB
			I1 = I, мА	I2 = I, мА	I3 = I, мА	I4 = I, мА
Вычислено	R13, Ом	R24, Ом	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	R4, Ом

Собрать схему и, согласно варианту (см. рис. 1.4, б для варианта 40), установить значения параметров элемен­тов схемы и приборов. Запустить программу MS10 (щёлкнуть мышью на кнопке меню среды MS10) и занести показания приборов (значение тока (А1) и значения напряжений (V1, …, V4) на зажимах резисторов) в табл. 1.1 электронной тетради.

Рассчитать сопротив­ления резисторов и занести их значения в табл. 1.1.

Скопировать и занести на страницу электронного отчёта копии рисунков схем (см. рис. 1.4, а и рис. 1.4, б) (в виде скриншотов после корректировки, например, в редакторе Paint или непосредственно после выделения схем и нажатия клавиш Alt+PrtScr клавиатуры).

Задание 3. Измерить индуктивность катушки и ёмкость конденсатора косвенным методом по результатам прямых измерений нап­ряжения, тока и мощности RL- или RC-ветви и косвенного измерения угла сдвига фаз φ_k.

С
этой целью собрать на рабочем поле программной среды MS10 схему цепи (см. рис. 1.5), либо открыть файл 1.5.ms10, и установить:

 параметры идеального источника синусоидального напряжения действующее значение ЭДС Е = 5 + N, В; частоту f = 1 кГц при измерении индуктивности L катушки и частоту f = 10 кГц при измерении ёмкости C конденсатора; начальную фазу напряжения _u = 0;

 режим работы АС (переменный ток) амперметра А (R_А = 1 нОм) и вольтметра V (R_V = 10 MОм);

 значение сопротивления R₁ = 25 Ом резистора R1 (имитирующего активное сопротивление катушки) и сопротивление R₂ = 10 Ом резистора R2;

 значение индуктивности катушки L = 5 + int(N/5), мГн и ёмкости конденсатора С = 1 + int(N/10), мкФ, где int(a/b) – целая часть операции a/b;

 красный цвет провода, соединённого с каналом А, и синий цвет провода, соединённого с каналом В двухканального осциллографа ХSC1;

 задать параметры осциллографа XSC1. При этом на вход канала А подано напряжение с источника INУT, пропорциональное входному току i, а на вход канала В подано напряжение u с зажимов источника напряжения е. Цветовая окраска осциллограмм (см. рис. 1.3, а) соответствует установленным цветам проводов, соединённых с соответствующими входами каналов прибора XSC1;

[Примечание. В модели осциллографа XSC1 среды MS10 реализовано "внутреннее соединение" правых входов каналов А и В (см. рис. 1.3, б и рис. 1.5) с узлом схемы цепи, к которому подключен элемент , названный "Аналоговая земля". Поэтому не обязательно соединять проводниками правые выводы каналов А и В осциллографа с "заземлённым" узлом схемы. Элемент  имеет нулевой потенциал. Потенциалы других узлов схемы измеряются относительно заземлённого узла];

 чувствительность 200 мВ/дел (mV/div) канала А осциллографа и 5 или 10 B/дел (V/div) канала В; длительность развертки (TIME BASE) в режиме Y/T  0,2 мс/дел (2 ms/div). При измерениях указанные цены делений рекомендуется изменять таким образом, чтобы амплитуды напряжений были бы равны не менее 0,5…0,75 высоты экрана осциллографа, а по оси времени укладывалось бы два-три периода колебания напряжений;

 управляющую переключателем клавишу S клавиатуры;

 значение коэффициента передачи INUT k = 1 Ом;

 управляемый контакт переключателя S в нижнее положение, т.е. подключить R₁L-ветвь к источнику е.

Запустить программу MS10 (щёлкнуть мышью на кнопке меню среды MS10), снять показания приборов и занести их в поля табл. 1.2 электронной тетради по работе. Методика опре­деления угла сдвига фаз j между напряжением и током описана в п. 4 раз­дела "Теоретические сведения …".

Убедиться (см. рис. 1.3, а), что ток i₁ в R₁L-ветви отстаёт по фазе от напряжения u на угол j₁ = arctg(X_L/R₁) = arсcos(P₁/UI₁), где Р₁  показание ваттметра. Скопировать и занести на страницу электронной тетради копию (скан) рисунка-чертёжа смоделированной схемы (см. рис. 1.5) с показаниями ваттметра и осциллограммами на экране осциллографа (см. рис. 1.3).

Установить частоту ЭДС f = 10 кГц источника е(t) и с помощью переключателя S подключить R₂С-ветвь к источнику е. Показания приборов занести в табл. 1.2.

Убедиться (анализируя расположение осциллограмм на экране осциллографа), что ток i₂ в R₂С-ветви опережает по фазе напряжение u на угол j₂ = arctg(X_C/R₂) =  arсcos(P₂/UI₂), где Р₂  показание ваттметра.

Рассчитать полное Z = U/I, активное R = Zcosj и реактивное X = Zsinj сопротивления R₁L- и R₂С-ветви и занести их в поля табл. 1.2.

Так как индуктивное сопротивление катушки X_L= L = 2fL, Ом, а ём­костное сопротивление конденсатора X_С = 1/С = 1/2fC, Ом, то:

 индуктивность катушки,включенной в R₁L-ветвь:

L = X_L/ = X_L/2f, Гн или L = 10³X_L/2f, мГн;

 ёмкость конденсатора, включенного в R₂С-ветвь:

С = 1/(X_C)= 1/(2fX_C), Ф или С = 10⁶/(2fX_C), мкФ.

Вычисленные значения индуктивности L катушки и ёмкости C конденсатора занести в табл. 1.2. Сравнить полученные значения R, L и С с установленными их значениями в схеме цепи.

Т а б л и ц а 1.2

Ветвь

Установ­лено

Измерено

Вычислено

E, B

f, кГц

U, B

I, мA

P, Bт

, град

Z, Ом

R, Ом

X, Ом

L, мГн

C, мкФ

R1L

1

-----

R2C

10

-----

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование и цель работы.

2. Перечень приборов, использованных в экспериментах, с их крат­кими характеристиками.

3. Электрические схемы измерения сопротивлений резисторов, индуктивности катушки и ёмкости конденсатора, и копии рисунков осциллограмм напряжения и тока.

4. Таблицы результатов измерений и расчётов.

5. Расчётные формулы.

6. Выводы по работе.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ 1

1. Укажите, чему равен период Т колебания ЭДС источника синусоидального напряжения е = В?

0,01 с 0,02 с 0,04 с 0,08 с 1 с 2 с

2 . Укажите, как изменится индуктивность катушки, если увеличить частоту синусоидального напряжения в 4 раза?

Величина индуктивности не изменится

Индуктивность катушки уменьшится в два раза

Индуктивность катушки увеличится в 4 раза

Индуктивность катушки уменьшится в 4 раза

3. Укажите, чему равен угол  в последовательной RL-цепи, если известны значения синусоидального напряжения U = 10 В, тока I = 1 A и мощности Р = 8 Вт?


90 - 45 37 -30 27

4. Конденсатор с ёмкостью С = 1/6280 Ф установлен в цепи синусоидального тока с напряжением u = В. Укажите, чему равно сопротивление конденсатора?

0,22 Ом 0,44 Ом 2 Ом 1 Ом 4 Ом

5. Укажите, чему равен временной интервал, соответствующий углу сдвига фаз, равного 45°, при частоте исследуемых периодических сиг­налов, равной 100 Гц?

1 мс 1,25 мс 1,5 мс 2 мс 4 мс 5 мс

6. Перечислите приборы, необходимые для проведения косвенного измерения индук­тивно­сти катушки.

Вольтметр и амперметр

Достаточно одного ваттметра

В ольтметр, амперметр и ваттметр или вольтметр, амперметр и измеритель разности фаз

Амперметр и ваттметр

7. Напряжения на трёх последовательно соединенных резисторах относятся как 1:3:5. Укажите, как относятся значения сопротивлений резисторов?

Отношение сопротивлений резисторов подобно отношению напряжений

Отношение равно 5:3:1

Отношение равно 1:1/3:1/5

Отношение равно 1:5:3