***** ODPOWIEDZI (W FORMIE TEORII) NA MIERNICTWO - BY DANNY *** 13 CZERWIEC 2010 R.

1. Oscyloskop

Oscyloskop to urządzenie elektroniczne przeznaczone do obserwacji napięcia stałego i przemiennego, znajduje również zastosowanie przy pomiarze wartości prądu, częstotliwości, kąta fazowego i innych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych dających się przetworzyć na napięcie. Głównym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa.

1. grzejnik 2. katoda 3. cylinder Wehnelta 4. anoda pierwsza 5. anoda druga 6. płytki odchylania pionowego 7. płytki odchylania poziomego 8. ekran

Lampa oscyloskopowa jest to element, w którym strumień elektronów może odchylać się w polu magnetycznym lub elektrycznym, z jednej strony znajduje się działo elektronowe, czyli zespół elektrod emitujących elektrony, z drugiej strony znajduje się ekran pokryty od wewnątrz warstwą substancji fluoryzującej, czyli wysyłającej światło pod wpływem podającej na nią wiązki elektronów. Elektrony są wysyłane przez podgrzaną katodę w kierunku ekranu, anody przyspieszają ich ruch. Elektrony wyrzucone z katody przechodzą przez mały otwór w walcu metalowym zwanym cylindrem Wehelta, osłaniającym katodę. Przez zmianę ujemnego napięcia potencjometrem R1 można zmieniać natężenie wiązki elektronów, a przez to jasność wiązki na ekranie. Zadaniem pierwszej anody jest skupienie wiązki elektronów, zmiana dodatniego potencjału tej anody nastawiana potencjometrem R2 powoduje zmianę wartości plamki świetlnej. Strumień wysyłających elektronów można odchylać od osiowego obiegu układem elektrod złożonym z pary płytek odchylania pionowego Y i poziomego X.

Jeżeli do jednej pary płytek przyłożymy stałą różnicę potencjałów to pole elektrostatyczne odchyli wiązkę elektronów w kierunku elektrody o wyższym potencjale. Jeżeli przyłożymy zmienną w czasie różnice potencjałów to elektrony będą wykonywały drgania pomiędzy tymi elektrodami. Przy dostatecznie dużej częstotliwości zmian napięcia będziemy obserwować na ekranie oscyloskopu jasną kreskę jako ślad drogi, po której wędruje strumień elektronów. W celu obserwacji przebiegu napięć do płytek odchylania poziomego należy przyłożyć napięcie o piłokształtnym przebiegu.

Napięcie takie jest generowane przez generator podstawy czasu. W czasie t1 d t2 napięcie wzrasta linowo proporcjonalnie do czasu, a plamka świetlna przesuwa się równomierne od lewej strony ekranu do prawej, po osiągnięciu wartości maksymalnej napięcia bardzo szybko powraca do swojej wartości początkowej, w czasie od t2 do t3, jeżeli teraz do płytek odchylania pionowego Y przyłoży się napięcie o nieznanym przebiegu to zostanie ono odwzorowane na ekranie przez ruchomą wiązkę elektronów.

Uproszczony schemat blokowy oscyloskopu.

2. Opis metod pomiarowych

Pomiarów charakterystyki fazowej oscyloskopem można dokonać na dwa sposoby, wykorzystując do tego:

1. obrazy przebiegów czasowych porównywanych napięć,

2. krzywe Lissajous, a pomiar nazywany jest „metodą elipsy”.

Ad. 1. Sposób pomiaru przesunięcia fazowego ϕ jest zilustrowany na rys. 2.

Rys. 2.

Wykresy dwóch porównywanych napięć są przesunięte względem siebie o czas τ. Odnosząc τ do ich okresu T uzyskuje się przesunięcie fazowe wyznaczone w radianach. Do obliczenia ϕ w stopniach należy stosować zależność

ϕ ^o =360^o (τ / T ).

Gdy z obrazu przebiegów dokona się odczytu połowy okresu, to przesunięcie fazowe należy wyznaczyć z zależności

ϕ ^o =180^o (τ / t_T/2 ).

Ad. 2. Do pomiaru ϕ metodą elipsy wykorzystuje się w oscyloskopie jego funkcję pracy „X-Y”. Wtedy podane do obu wejść oscyloskopu napięcia oddziałują na poszczególne pary płytek odchylania lampy oscyloskopowej, a wynikiem tego jest powstanie na ekranie obrazu o kształcie elipsy (w szczególności może to być prosta lub okrąg). Przesunięcie fazowe wyznacza się z odczytu długości charakterystycznych odcinków elipsy (rys. 3.), stosując do tego zależność

ϕ ^o =(180^o/π) arc sin(a/b).

3. SONDA RC

Część Czytelników będzie zaskoczona, gdy się dowie, że istnieją proste sposoby zmniejszenia pojemności, poniżej pojemności samego oscyloskopu!

Wystarczy zastosować sondę tłumiącą sygnał.Fotografie w artykule pokazują różne sondy.Najpopularniejsze są sondy bierne RC, tłumiące sygnał 10−krotnie. Często takie sondy stanowią standardowe wyposażenie oscyloskopu. W opisie takiej sondy zawsze występuje określenie 1:10. I znów nieświadomi, początkujący elektronicy sądzą, że takie sondy buduje się jedynie po to, by móc mierzyć większe napięcia. To prawda, że sondy 1:10 umożliwiają pomiar wyższych napięć, nawet do kilkuset woltów. Buduje się także sondy o współczynnikach tłumienia 1:100 i 1:1000, które umożliwiają pomiar przebiegów o amplitudach rzędu kilowoltów. Ale sondy tłumiące sygnał stosuje się przede wszystkim ze względu na zmniejszenie pojemności obciążającej układ.

Podstawowy schemat sondy pokazany jest na rysunku 30.

Teoretycznie potrzebne są tylko rezystory dzielnika, jednak wskutek istnienia różnych szkodliwych pojemności montażowych, do wyrównania charakterystyki częstotliwościowej niezbędne są niestety kondensatory. Niestety, bo kondensatory te obniżają oporność wejściową sondy przy

większych częstotliwościach. Nie wchodząc w szczegóły podamy tylko jeden prosty wzór. Jeśli R1C1 = R2C2

to dzielnik jest skompensowany częstotliwościowo, czyli jednakowo tłumi sygnały w szerokim pasmie częstotliwości.

4. Oscyloskop elektroniczny

Oscyloskop jest przyrządem elektronicznym służącym do obserwowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwoma wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci napięcia. Oscyloskop stosuje się najczęściej do badania przebiegów zmiennych, nawet tych, których okres zmian jest zbyt mały, by rejestrować je bezpośrednio.

Zasada działania oscyloskopu jest bardzo prosta. Działo elektronowe emituje elektrony, które po przejściu przez płytki odchylania pionowego i poziomego, uderzają o luminescencyjny ekran generując obraz. Oscyloskop ma dwa wejścia - X i Y (poziome i pionowe), z których podawane są napięcia na płytki odchylania. Nowe oscyloskopy są wyposażone w funkcje filtrowania składowej stałej sygnału wejściowego. Rozwiązanie takie realizuje się poprzez wpięcie w obwód wejściowy kondensatora, który dla prądu stałego stanowi rozwarcie. Wejście bez filtracji składowej stałej oznaczone jest DC, a z filtracją AC. Na płytki odchylania poziomego może być również podawane piłokształtne napięcie z generatora podstawy czasu. Oscyloskopy pozwalają na regulację zakresów odchylania (można obserwować napięcia rzędu mV jak i większe od 200V) oraz na regulację częstotliwości sygnału z generatora podstawy czasu. Nowoczesne urządzenia tego typu umożliwiają także przesuwanie wyświetlanego obrazu w pionie i poziomie, składanie sygnałów z obu wejść i wiele innych zaawansowanych operacji.

5. Kształt krzywych Lissajous

Kształt krzywych jest szczególnie uzależniony od współczynnika
.

Dla współczynnika równego 1, krzywa jest elipsą, ze specjalnymi przypadkami okrąg:
oraz odcinek: δ = 0. Inne wartości współczynnika dają bardziej złożone krzywe, które są zamknięte,

tylko gdy
jest liczbą wymierną.

6. Na błąd pomiaru wartości chwilowej napięcia za pomocą oscyloskopu ma wpływ:

7. Oscyloskop umożliwia rejestrację sygnałow:

Oscyloskop to urządzenie elektroniczne przeznaczone do obserwacji napięcia stałego i przemiennego, znajduje również zastosowanie przy pomiarze wartości prądu, częstotliwości, kąta fazowego i innych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych dających się przetworzyć na napięcie

8. Obserwacja sygnału przemiennego za pomocą oscyloskopu odbywa się poprzez: ------------------------------

9. Czas narastania dla przebiegu prostokątnego wyznacza się:

Sygnał prostokątny ma kształt pokazany na rys. 1.9 i podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością, z tą różnicą, że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest równa jej amplitudzie. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T=1/f.
   Sygnał prostokątny składa się ze zbocza narastającego, poziomu wysokiego, zbocza opadającego i poziomu niskiego. Nie zawsze sygnał prostokątny wygląda tak jak na rysunku. Najczęściej spotyka się sygnał prostokątny tylko z "dodatnimi połówkami" to znaczy, że poziom niski jest w granicach 0V. Kształt jego jest również daleki od ideału, gdyż zbocza nie są prostopadłe (rys. 1.10). Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (s) i mierzy się go jako czas narastania od 0,1 do 0,9 napięcia sygnału.

10. Zgodnie z ogólną definicją błędu, względny błąd pomiaru mocy czynnej określa równanie:

11. Moc czynna dla przebiegów okresowych jest opisana wzorem:

Moc czynna (P) w układach prądu przemiennego (również prądu zmiennego) jest to część mocy, którą odbiornik pobiera ze źródła i zamienia na pracę lub ciepło. W układach prądu stałego cała moc jest mocą czynną. Jednostką mocy czynnej jest wat.

Moc czynna jest średnią mocą, co dla przebiegu okresowego prądu i napięcia wyraża wzór:

gdzie:

P - moc czynna

t - czas

T - okres u - napięcie chwilowe i - natężenie prądu chwilowe

12. Który rysunek przedstawia schemat układu do pomiaru mocy czynnej pobieranej przez odbiornik Zo watomierzem w wersji z poprawnie mierzonym napięciem:

13. W układzie jak na rysunku służącym do pomiaru mocy czynnej za pomocą woltomierza i amperomierza, względny błąd pomiaru mocy spowodowany rezystancją woltomierza jest równy:

Błąd względny - jest ilorazem błędu bezwzględnego i wartości rzeczywistej:

14. W sieci trójfazowej, czteroprzewodowej w układzie do pomiaru mocy biernej za pomocą trzech watomierzy, moc bierna jest określana wzorem:

W przypadku przebiegów sinusoidalnie zmiennych moc bierna jest definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu, oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem a prądem:

gdzie:

• 
  ,
  - wartości skuteczne napięcia i prądu

• 
  - przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem.

Wyróżnia się:

• moc bierną indukcyjną

• moc bierną pojemnościową

Jednostką mocy biernej (Q) jest war (ang. var - Volt Ampere Reactive)

15. Pomiar mocy czynnej dwoma watomierzami watomierzami sieci trójfazowej, trójprzewodowej:-----------------------

16. W układzie Arona do pomiaru mocy czynnej:

Układ jest pomyślany do instalacji 3 przewodowej (bez przewodu neutralnego) i tam się je stosuje. Najczęściej są to sieci lub odbiorniki (źródła mocy czynnej i biernej) średniego i wysokich napięć, ale też odbiorniki i sieci niskiego napięcia bez przewodu N.

17. układ Arona umożliwia:

układ Arona służy do pomiaru mocy czynnej w układzie trójprzewodowym symetrycznym lub niesymetrycznym. Moc odbiornika wynosi
gdzie
,
- wskazania watomierzy.W celu wykazania prawdziwości powyższego wzoru należy obliczyć moc symboliczną
W układzie trójprzewodowym

18. Moc czynna jest określona wzorem:

Moc czynna jest średnią mocą, co dla przebiegu okresowego prądu i napięcia wyraża wzór:

gdzie:

P - moc czynna

t - czas

T - okres u - napięcie chwilowe i - natężenie prądu chwilowe

19. Czym różni się techniczny mostek Wheatsone`a od laboratoryjnego mostka Wheatsone`a?

Zasada mostka pracującego w punkcie równowagi jest wykorzystana w mostku Wheatstone'a. Warunkiem równowagi dla takiego mostka jest:

Zazwyczaj, stosunek oporników R₃ do R₄ może być ustawiany na jedną z następujących wartości: 0,01; 0,1; 1; 10; itd., co umożliwia zmianę zakresu mostka. Wartość rezystancji opornika R₂ może być płynnie regulowana tak, aby osiągnąć stan równowagi mostka. Zatem znając wartości rezystancji R₂, R₃ i R₄ można dokładnie wyznaczyć nieznaną wartość rezystancji R_x.

Czułość mostka S_m zależy od napięcia wejściowego (zasilającego) U_we oraz zmiany wartości rezystancji R₂:

Rozdzielczość pomiaru dR zależy od: czułości S_u urządzenia pomiarowego wykrywającego napięcie wyjściowe, stosunku rezystancji wewnętrznych mostka, rezystancji wewnętrznej R_u urządzenia pomiarowego, całkowitej rezystancji R_m mostka (rezystancji widzianej z zacisków wejściowych), czułości mostka oraz wartości napięcia zasilającego (wejściowego):

Z powyższego równania wynika, że rozdzielczość jest tym większa im większa jest czułość urządzenia pomiarowego. Rozdzielczość rośnie również ze wzrostem napięcia zasilania, jednak wartość napięcia jest ograniczona od góry z uwagi na dopuszczalną moc wydzielaną na opornikach mostka. Jeśli moc ta będzie zbyt duża dojdzie do trwałego uszkodzenia.

W przypadku pomiarów bardzo małych wartości rezystancji (w praktyce poniżej 1 Ω) nie można pominąć wartości rezystancji przewodów doprowadzających, którymi dołączony jest rezystor R_x, jak również i ewentualnych sił elektromotorycznych powstających z uwagi na zjawisko Seebecka. Zjawisko to można stosunkowo łatwo wyeliminować poprzez wykonanie tego samego pomiaru dla dodatniego i ujemnego kierunku zasilania - wartość średnia z obydwu pomiarów będzie wartością poprawną. Niemniej jednak, nie można w ten sposób wyeliminować wpływu rezystancji przewodów doprowadzających.

Dlatego też, do pomiaru małych rezystancji używa się opisanego poniżej mostka Kelvina.

Praktyczne zastosowanie ma również techniczny mostek Wheatstone'a, który jest co prawda mniej dokładny, ale w zamian mniejszy i wygodniejszy w użyciu. Mniejsza dokładność w porównaniu z mostkiem laboratoryjnym jest wynikiem mniej czułego (za to bardziej odpornego na wstrząsy) galwanometru, a także z powodu wprowadzeniu rezystora drutowego ze stykiem ślizgowym, który służy do płynnego równoważenia układu. W niektórych rozwiązaniach rolę galwanometru spełnia układ dwóch diod luminescencyjnych: czerwonej i zielonej. Wartość mierzonego oporu odczytuje się bezpośrednio z odpowiednio wyskalowanego rezystora regulującego. Jeśli diody migają naprzemiennie, wówczas ustawiona jest poprawna wartość rezystancji (mostek jest w równowadze). Jeśli którakolwiek z diod świeci ciągle, to ustawiona wartość jest zbyt mała (dioda czerwona) lub zbyt duża (dioda zielona).

20. Mostek Wheatsone`a ma następującą budowę:

21. Błędy pomiarów w mostkach zrównoważonych można podzielić na dwie grupy:

-WZGLĘDNE ?

-BEZWZGLĘDNE ?

22. Która z metod umożliwia bezpośredni pomiar rezystancji :

23. Który symbol charakteryzuje ustrój elektromagnetyczny:

a no taki hehe :D

24. Która zależność opisuje rozszerzenie zakresu pomiarowego amperomierza:

25. Wpisz w puste pola symbole odpowiednich wartości napięć dla podanego sygnału:

Rezystor - inna jego nazwa to opornik. Można często spotkać takie właśnie dwa symbole graficzne tego elementu.
Potencjometr - ma bardzo podobny symbol do rezystora. Posiada trzecią dodatkową końcówkę (ze strzałką), jest to suwak którego położenie wyznacza podział całkowitej rezystancji potencjometru.

Kondensator - przy symbolu kondensatora bardzo często jest umieszczana wartość dopuszczalnego napięcia pracy.
Kondensator spolaryzowany - to kondensator elektrolityczny lub tantalowy. Kondensator taki ma okładki oznaczone znakami + lub -.
Nie można takiego kondensatora podłączać w układzie odwrotnie niż wskazuje jego polaryzacja tzn. plus do potencjału wyższego, a minus do niższego jeśli podłączysz odwrotnie to kondensator ulegnie uszkodzeniu.

Kondensator zmienny - te kondensatory są stosowane najczęściej w obwodach częstotliwości radiowej np. dostrajając się do stacji w odbiorniku radiowym posługujesz się właśnie takim kondensatorem.

Cewka indukcyjna - jej symbol przypomina spiralę wykonaną z drutu i tak właśnie wygląda w swej najprostszej postaci - jest spiralą nawiniętą z drutu

(UWAGA: NIE WIEM CZY CHODZI O POWYŻSZE SYMBOLE - DO WERYFIKACJI !!!!!!!!!)

26. Która zależność opisuje wychylenie α ustroju magnetoelektrycznego:

Gdy przez cewkę umieszczoną w polu magnesu płynie prąd elektryczny na przewodnik działa siła od pola magnetycznego magnesu. Siła ta obraca zwojnicę, obrotowi temu przeciwdziała siła sprężystości sprężyn, co doprowadza do ustalenia się nowego punktu równowagi, w którym momenty sił równoważą się. Ponieważ cewka umocowana jest na osi, jej ruch to obrót. Kąt o jaki obróci się element ruchomy zależy od: stałej zwracania sprężyny k, stałej (w zakresie ruchu cewki) wartości indukcji pola magnetycznego B, liczby zwojów cewki z, średniej szerokości zwoju cewki d, głębokości zanurzenia cewki w szczelinie magnesu (długość na której następuje oddziaływanie) l oraz od prądu I przepływającego przez cewkę.

Moment sił elektromagnetycznych:

Moment sił sprężyn:

Ponieważ wartości B, k, z, d, l są stałe, kąt wychylenia α jest proporcjonalny do wartości przepływającego przez cewkę prądu I.

Pomiar wartości prądu przemiennego praktycznie nie jest możliwy jeśli okres ustalania się położenia organu ruchomego (około 0,2-2s) jest dłuższy niż okres mierzonego prądu. Jeśli prąd przemienny ma składową stałą, ustrój magnetoelektryczny wychyli się do położenia równowagi zależnego od wartości tej składowej.

27. Który rodzaj szumu charakteryzuje się widmem mocy opadającym o -3 dB/okt :

Szum różowy (ang. pink noise). Jest to szum o własnościach pośrednich między szumem białym, a czerwonym (stąd nazwa). Charakteryzuje się widmem mocy opadającym o -3dB/okt.

28. Metoda czterozaciskowa pomiaru rezystancji stosowana jest:

Czterozaciskowy pomiar rezystancji jest stosowany po to aby zmierzyc rezystancje mozliwie najdokladniej. Stosowane sa dwa uklady:
1. UPPN - układ poprawnego pomiaru napiecia
2. UPPP - uklad poprawnego pomiaru pradu

Inną drogą ograniczania błędów systematycznych jest stosowanie specjalistycznych

metod lub układów pomiarowych. Istnieje wiele takich metod eliminujących lub

minimalizujących deterministyczne składowe błędów systematycznych bez potrzeby obliczania poprawek.

7

---