Základní měření s výchylkovými multimetry Laboratorní cvičení č. 1

Transkript

1 Základní měření s výchylkovými multimetry Laboratorní cvičení č. 1 Cíle cvičení: seznámit se s laboratorním zdrojem stejnosměrných napětí Diametral P230R51D, seznámit se s výchylkovým (ručkovým) multimetrem C.A.406, zapojit multimetr jako voltmetr a změřit stejnosměrné napětí 10 V na několika měřicích rozsazích, provést měření elektrického proudu v závislosti na odporu s využitím odporové dekády, provést vyhodnocení měření podle níže uvedených pokynů. Použité přístroje a pomůcky: laboratorní zdroj stejnosměrných napětí Diametral P230R51D (1 ks), výchylkový multimetr C.A.406 (2 ks), odporová dekáda (1 ks), propojovací vodiče. Úloha č. 1. Seznámení se s laboratorním zdrojem Diametral (5 minut) 1. Zapněte přístroj kolébkovým vypínačem vpravo nahoře, viz obr.1.1 níže v obrazové příloze. 2. Na levém regulovatelném výstupu zdroje si vyzkoušejte nastavení napětí 0-30 V; uvědomte si funkci proudové pojistky (bezpečnost) a bílého tlačítka u každého zdroje spolu s kontrolní červenou LED diodou (připojení/odpojení napětí na výstupní svorky); vyzkoušejte si možnost jemného doladění napětí. Úloha č. 2. Seznámení se s výchylkovým multimetrem C.A.406 (15 minut) 1. Zjistěte, jaké veličiny multimetr měří a kam se připojují přívodní vodiče, viz obr.2.1 níže v obrazové příloze. 2. Vyzkoušejte si přepínání měřicích rozsahů M (maximálních měřitelných hodnot veličin). 3. Správně pochopte rovnici V K., kde V je hodnota měřené veličiny, K=M/α max je konstanta přístroje pro daný měřicí rozsah M a maximální výchylku ručky α max v dílcích a α je aktuální výchylka ručky. 4. Porozumějte hlavním symbolům a hodnotám, uvedeným na štítku multimetru, viz obr.2.2 v obrazové příloze. Úloha č. 3. Základní měření stejnosměrného napětí (20 minut) 1. Na levém regulovatelném výstupu napájecího zdroje (svorky vlevo) nastavte napětí U Z =10 V, potenciometr proudové pojistky nastavte do levé úvratě (nejmenší proud pro automatické odpojení zdroje); bílé tlačítko uveďte do režimu, kdy nesvítí červená dioda (napětí není připojeno na výstupní svorky). 2. Multimetr C.A.406 přepněte do režimu měření stejnosměrných napětí a nastavte měřicí rozsah M U =1000 V. 3. Pomocí propojovacích vodičů připojte voltmetr k napájecímu zdroji podle schématu; z pedagogických důvodů je vhodné barevně odlišit svorky plus (červený vodič) a minus (modrý nebo zelený vodič). 4. Pomocí bílého tlačítka zapněte levý zdroj (rozsvítí se červená kontrolní dioda). 5. Přepínačem snižujte měřicí rozsah voltmetru postupně z 1000 V na 300 V, 100 V, 30 V a 10 V a pozorujte výchylku (nižší rozsah než 10 V nenastavujte, došlo by k přetížení přístroje s možností jeho poškození!). Na rozsahu 10 V jemně dostavte napětí na zdroji co nejpřesněji na 10 V podle voltmetru. 6. Nyní postupně nastavujte znovu měřicí rozsahy 300 V, 100 V, 30 V a 10 V a pro každý z nich vypočtěte konstantu přístroje, odečtěte co nejpřesněji výchylku ručky, vypočtěte měřené napětí, celkový vnitřní odpor voltmetru R CV a podle Ohmova zákona proud voltmetrem I V (známé napětí zdroje U V a celkový odpor R CV ), viz Tab. 1. Celkový vnitřní odpor určete podle rovnice R M. R, kde M U [V] je přepínačem nastavený měřicí rozsah voltmetru a R V [Ω.V -1 ] je vnitřní odpor voltmetru, uvedený na štítku multimetru. Tab. 1. Základní měření stejnosměrného napětí. Napětí zdroje U Z =10 V. R V = Ω.V -1 Měřicí rozsah M U [V] Konstanta K V [V.d -1 ] Výchylka ručky α [d=dílky] Vypočtené napětí U V [V] Celkový vnitřní odpor voltmetru R CV [Ω] Proud voltmetrem (spotřeba) I V [µa] CV U V U Z + - zdroj U V I V V

2 Úloha č. 4. Měření závislosti proudu na odporu s využitím odporové dekády (35 minut) 1. Na levém výstupu napájecího zdroje nastavte napětí 10 V, potenciometr proudové pojistky nastavte do levé úvratě a bílé tlačítko nastavte tak, aby červená dioda nesvítila (napětí není přivedeno na výstupní svorky). 2. Jeden ze dvou multimetrů přepněte pro měření stejnosměrného napětí a nastavte měřicí rozsah 10 V. Voltmetr poté připojte ke zdroji podobně jako v úloze 3, viz schéma. 3. Ke zdroji dále připojte druhý multimetr podle schématu, nastavený na měření proudu (ampérmetr); měřicí ampérmetru rozsah nastavte na hodnotu M I =1A. 4. Do série s ampérmetrem zapojte odporovou dekádu, na níž nastavte hodnotu odporu R Z =1 kω. 5. Po kontrole učitelem zapněte napětí levého zdroje bílým tlačítkem (červená kontrolní dioda svítí). 6. Nyní snižte měřicí rozsah ampérmetru na hodnotu M I =10 ma a pomocí konstanty přístroje K I a výchylky ručky α vypočtěte měřený proud I M na daném rozsahu. Měření opakujte pro hodnoty odporů podle tabulky Tab.2. Pozor, abyste omylem nenastavili odpor 0 Ω, obvodem by protekl příliš velký proud. 7. Podle Tab.2 z naměřených hodnot proudů I M a proudů teoreticky vypočtených I T (Ohmův zákon) vypočtěte absolutní ΔI a relativní δi chyby měření na daném rozsahu ampérmetru M I =10 ma. Tab. 2. Měření závislosti proudu na odporu; napětí zdroje U Z =10 V; měřicí rozsah M I =10 ma. R Z [kω] K I [ma.d -1 ] α [d=dílky] I M [ma] I T [ma] ΔI [µa] δi [%] Poznámky k určení jednotlivých veličin v Tab.2: I M = K I. α, I T =U Z /R Z, ΔI= I T I M, δi= 100.ΔI/ I T. 8. Na milimetrový papír vyneste ručně (ne na počítači) závislost proudu I M na hodnotě odporu R Z, tedy I M =f(r Z ). Jednotlivé body v grafech není třeba spojovat plynulou čarou nebo jen tence a čárkovaně jako určitý trend. Úkol: uveďte, jak lze vypočítat odpor ampérmetru na základě údajů z tabulky Tab.2. Vyhodnocení měření a závěr Ve vašich sešitech, které nahrazují protokol o měření, budou první (titulní) strana vyhrazena názvu laboratorní úlohy velkými písmeny, datu měření a jménu toho, kdo měřil. Dále si do sešitu vlepte strany 1 a 2 tohoto zadání (nejlépe mírně oříznuté) a realizovaný graf (ručně na milimetrový papír, ne pomocí počítače). Tabulky Tab.1 a Tab.2 během měření správně vyplňte. V sešitě dále mohou být zápisky a poznámky, jsou-li potřeba a povinný závěr, v němž vyhodnoťte měření č. 3 a 4. Zejména se vyjádřete k těmto bodům: jak určíte hodnotu měřeného napětí u vícerozsahového voltmetru s využitím konstanty a výchylky? Jak lze vypočítat celkový vnitřní odpor vícerozsahového voltmetru na daném měřicím rozsahu? Jak souvisí proud voltmetrem v úloze č. 3 s nastaveným rozsahem voltmetru? Čím je možné nahradit teoreticky správnou hodnotu měřené veličiny pro výpočty chyb, není-li ji možné vypočítat přesně? Na čem závisí přesnost odečtení výchylky multimetru? Jak se do obvodu zapojují voltmetr a ampérmetr? Poznámka: neceločíselné vypočtené údaje zaokrouhlete vždy nejméně na 3 desetinná místa. U Z + - zdroj V ma I M dekáda R Z Níže v textu jsou uvedeny obrázky použitých měřidel a pomůcek (dekád) spolu s grafem, ukazujícím nutné náležitosti, který by měl každý graf obsahovat (stručný a výstižný název, veličiny a jednotky spolu s měřítky na obou osách.

3 Obrazová příloha k jednotlivým úlohám Úloha č. 1. Jemné dostavení napětí Hlavní vypínač Proudová pojistka Nastavení napětí Zapnutí/vypnutí napětí na výstupní svorky Obr.1.1. Laboratorní zdroj stejnosměrných napětí Diametral P230R51D. Hlavní zásada při práci se zdrojem: Než zapnete bílé tlačítko, které připojí napětí na výstupní svorky, vždy se přesvědčte, že jste správně nastavili velikost napětí a proudovou pojistku (pro jistotu zcela vlevo). Úloha č. 2. Více stupnic pro jednotlivé rozsahy Přepínač měřené veličiny a jejího rozsahu Obr.2.1. Výchylkový (ručkový) multimetr C.A. 406 firmy Chauvin Arnoux. Hlavní zásada při práci s mutlimetrem: Než připojíte multimetr do obvodu, vždy se ujistěte, zda jste otočným přepínačem nastavili správnou měřenou veličinu (napětí, proud, odpor) a dostatečně vysoký měřicí rozsah (nejlépe zpočátku ten nejvyšší).

4 Obr.2.2. Detaily přepínače měřených veličin (vlevo) a štítku multimetru s měřicími stupnicemi. Úloha č. 3. Obr.3.1. Měření napětí zdroje voltmetrem. Nezapoměňte! Než připojíte multimetr ke zdroji, vždy se ujistěte, že jste multimetr nastavili přepínačem na měření stejnosměrných napětí (voltmetr) s dostatečně vysokým rozsahem (zpočátku nejlépe 1000 V). Voltmetr se do měřeného obvodu zapojuje paralelně s prvkem, jehož napětí měříme.

5 Úloha č. 4. Obr.4.1. Měření proudu ampérmetrem (multimetr vpravo) s využitím odporové dekády. Obr.4.2. Detail ampérmetru s nastaveným rozsahem 10 ma. Nezapoměňte! Ampérmetr se do měřeného obvodu zapojuje do série s prvkem, jehož proud měříme.

6 Obr.4.3. Alternativní nová RCL dekáda (maximální proud omezen na hodnotu 100 ma). Vzor grafické závislosti Závislost měřeného proudu zátěží na odporu zátěže I M [ma] R Z [kω]