Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu
METROLOGIA 1
Kod przedmiotu:
F02021
Ć
wiczenie pt.
ANALIZA SCHEMATÓW IDEOWYCH
I RZECZYWISTYCH
UKŁADÓW POMIAROWYCH
Numer ćwiczenia
02
Autor
Dr inŜ. Ryszard Piotrowski
Białystok 2006
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
2
1. Wprowadzenie
W trakcie odbywania ćwiczeń laboratoryjnych przez studentów II seme-
stru Wydziału Elektrycznego w Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
z przedmiotu Metrologia, dają się zauwaŜyć istotne trudności, jakie ćwiczący
mają z prawidłowym odczytywaniem schematów ideowych układów elektrycz-
nych zawartych w instrukcjach do ćwiczeń i prawidłowym łączeniem na ich
podstawie schematów rzeczywistych.
Niniejsze ćwiczenie, na kilku charakterystycznych przykładach , uczy
najwaŜniejszych zasad, jakie powinny być przestrzegane podczas realizacji
układów pomiarowych zarówno prądu stałego jak i zmiennego.
Umiejętność prawidłowego łączenia układów elektrycznych przydaje się
początkującym studentom nie tylko w trakcie nauki, ale przede wszystkim w ich
późniejszej pracy zawodowej.
Wspomniane wyŜej zasady streszczono w kilku następujących punktach:
1. Łączenie układu naleŜy rozpocząć od stworzenie zamkniętej drogi przepływu
prądu. Jest to szczególnie łatwe w przypadku obwodów prądu stałego W
przypadku układów prądu stałego naleŜy „wyjść” od np. bieguna dodatniego
(plusa) źródła napięcia (akumulatora lub zasilacza stabilizowanego) i podą -
Ŝ
ając poprzez napotykane w schemacie ideowym elementy (wyłącznik
jednobiegunowy, amperomierze, rezystory i inne) „dojść” do ujemnego
bieguna wspomnianego źródła napięcia. Dopiero na końcu naleŜy włączyć
woltomierz lub woltomierze. W ten sposób uniknie się błędnego połączenia
przedstawionego na rysunku 3. Błąd w tym układzie polega na przeniesieniu
zacisków źródła napięcia na zaciski woltomierza. Takie połączenie, nie
czyniące większych róŜnic w układzie laboratoryjnym, jest niedopuszczalne
w warunkach przemysłowych. Tam bowiem średnica przewodów, którymi
przyłączony jest woltomierz jest znacznie mniejsza od średnicy pozostałych
przewodów przenoszących prądy o znacznym niekiedy natęŜeniu. Te
„cienkie” przewody woltomierza uległyby niechybnemu „stopieniu”. NaleŜy
uświadomić to przyszłym inŜynierom elektrykom juŜ na początku ich
pierwszych zajęć praktycznych.
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
3
2. NaleŜy zapamiętać następującą praktycznie zasadę: woltomierze powinny
być włączone tak, aby ich usunięcie z obwodu nie przerwało przepływu
prądu.
3. W przypadku jednofazowych obwodów pr dy zmiennego, podobnie jak
poprzednio, naleŜy na początku zrealizować zamkniętą drogę przepływu
prądu, a dopiero w następnej kolejności włączać woltomierze. Tu jednak
początek obwodu zaczyna się od dowolnego w zasadzie zacisku źródła
napięcia. Wygodnie jest jednak przyjąć jako początkowy „górny” na
schemacie ideowym zacisk tego źródła. Poza tym w takich obwodach
występuje na ogół wyłącznik dwubiegunowy, który zapoczątkowuje układ
pomiarowy (rys. 4). W tym przypadku takŜe naleŜy zacząć łączenie obwodu
od „górnego” zacisku takiego wyłącznika.
4. ZauwaŜmy dalej, Ŝe w obwodzie prądu stałego wystarcza wył cznik
jednobiegunowy (np. rys. 1a), podczas gdy w obwodach prądu zmiennego
stosuje się wył czniki dwubiegunowe. W tym ostatnim przypadku chodzi
o całkowite przerwanie połączenia między źródłem napięcia i resztą obwodu,
co zapewnia pełne bezpieczeństwo ćwiczącym, bowiem często trudno jest
ustalić który z dwóch przewodów jest przewodem fazowym, a który
zerowym (dotyczy to zwłaszcza układów, w których stosowany jest
autotransformator).
5. NaleŜy następnie zwrócić uwagę na układ połączeń przedstawiony na
rysunku 5. Pokazano tam dodatkowy woltomierz włączony przed wyłączni-
kiem dwubiegunowym. Woltomierz ten pozwala na stwierdzenie, czy i jakie
napięcie istnieje na zaciskach autotransformatora jeszcze przed zamknięciem
wyłącznika i uchronienie układu przed ewentualnym zbyt wysokim napię-
ciem, gdyby przez nieuwagą ćwiczących regulator autotransformatora nie
znajdował się w połoŜeniu zerowym.
6. W przypadku gdy pomiary przebiegają z uŜyciem watomierza (rys. 6a, 6b)
takŜe na pierwszy plan wysuwa się, jak zwykle, realizacja zamkniętej drogi
przepływu prądu, która prowadzi przez cewkę prądową tego przyrządu.
Pocz tek tej cewki, oznaczany najcz ciej gwiazdk lub kropk , naleŜy
bezwzględnie przyłączyć od strony źródła napięcia, zaś tak samo oznaczony
pocz tek cewki napi ciowej naleŜy wtedy przyłączyć do tego samego
przewodu, do którego włączona została cewka prądowa – z jej lewej lub
prawej strony. Przestrzeganie tych zasad zapewnia odchylanie się wskazówki
watomierza w prawidłowym kierunku.
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
4
2. Układ do pomiaru rezystancji z dokładnym
pomiarem pr du
V
A
U
Z
I
X
I
A
U
X
U
A
U
V
R
X
W
Rys. 1a. Schemat ideowy układu z dokładnym pomiarem prądu
Zz
W
++++
A
++++
V
ZASI -
LACZ
STABILI -
ZOWANY
R
X
Rys. 1b. Schemat rzeczywisty układu z dokładnym pomiarem prądu
Zadanie dla studentów.
1. WskaŜ na schemacie rzeczywistym napięcia: U
Z
, U
V
, U
X
, U
A
występujące na
schemacie ideowym oraz prądy: I
A
, I
X
2. Zaproponuj inny wariant włączenia na schemacie z rysunku 1b woltomierza,
nie naruszający zasady układu z dokładnym pomiarem prądu.
3. Jaką zaletę miałoby włączenie woltomierza przed wyłącznikiem W ?
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
5
3. Układ do pomiaru rezystancji z dokładnym
pomiarem napi cia
V
A
I
X
I
V
I
A
U
Z
U
X
U
V
R
X
R
X
W
Rys. 2a. Schemat ideowy układu z dokładnym pomiarem napięcia
Zz
W
++++
++++
A
V
ZASI -
LACZ
STABILI -
ZOWANY
R
X
Rys. 2b. Schemat rzeczywisty układu z dokładnym pomiarem napięcia
Zadanie dla studentów.
1. WskaŜ na schemacie rzeczywistym napięcia: U
Z
, U
V
, U
X
, występujące na
schemacie ideowym oraz prądy: I
A
, I
V
, I
X
2. Czy moŜliwy jest inny wariant włączenia woltomierza na rysunku 2b, nie
naruszający zasady układu z dokładnym pomiarem napięcia ?
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
6
4. Bł dny układ poł cze
Zz
W
++++
A
++++
V
ZASI -
LACZ
STABILI -
ZOWANY
R
X
Rys. 3. Błędny sposób włączenia woltomierza w układzie z dokładnym
pomiarem prądu
5. Pomiar rezystancji pr dem zmiennym
w układzie z dokładnym pomiarem pr du
AT
W
A
V
R
X
Rys. 4. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru rezystancji prądem zmiennym
Zadanie dla studentów
1. Narysuj schemat ideowy układu z rysunku 4.
2. Wyjaśnij, jaki sens ma włączenie woltomierza przed wyłącznikiem W?
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
7
6. Pomiar rezystancji pr dem zmiennym w układzie
z dokładnym pomiarem napi cia
AT
W
A
V
R
X
V
Rys. 5. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru rezystancji prądem zmiennym
Zadanie dla studentów
1. Narysuj schemat ideowy układu z rysunku 5.
2. Wyjaśnij sens włączania dodatkowego woltomierza przed wyłącznikiem W.
6. Układ do pomiaru mocy watomierzem
∼
220V
∗
∗
A
k
W
V
Z
0
U
z
WŁ
I
p
AT
Rys. 6a. Schemat ideowy układu do pomiaru mocy watomierzem
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
8
Początek cewki
napięciowej
Początek
cewki prądowej
∗
∗
AT
WŁ
A
V
Z
0
W
Rys. 6b. Schemat rzeczywisty układu do pomiaru mocy watomierzem
(watomierz W mierzy moc czynną wydzielającą się w odbiorniku Z
0
)
Zadania dla studentów
1. Połączyć układ z rysunku 6b uŜywając w nim następujących przyrządów:
AT – autotransformator laboratoryjny
WŁ – wyłącznik dwubiegunowy
W – watomierz o następujących zakresach:
a) napięciowym U
N
= 200 V
b) prądowym I
N
= 0,5 A
V – woltomierz elektromagnetyczny o zakresie 300 V
A – amperomierz elektromagnetyczny o zakresie 0,6 A
Z
0
– odbiornik (Ŝarówka)
2. Przeliczyć podane w Tablicy 1 wartości napięcia U
Z
na liczbę działek (dz)
3. Dokonać pomiarów według następującej kolejności:
Ustawić suwak autotransformatora w pozycji wyjściowej
(zerowej)
Zamknąć wyłącznik WŁ
Przy pomocy autotransformatora AT zwiększać stopniowo
napięcie zasilające Ŝarówkę, nastawiając wartości napięcia
wskazane w Tablicy 1
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
9
Po nastawieniu kaŜdej kolejnej wartości napięcia odczekać ok.
15 sekund (chodzi o ustabilizowanie się rezystancji
rozgrzewającej się Ŝarówki), następnie odczytać i zapisać
wskazanie amperomierza i watomierza w działkach (dz)
4. Obliczyć natęŜenie prądu w amperach (A)
5. Obliczyć moc w watach (W)
6. W sprawozdaniu nale y:
Obliczyć rezystancję Ŝarówki wg wzoru:
P
Z
ś
I
U
R
=
wykreślić charakterystyki:
P
W
= f (U
Z
)
I
P
= f (U
Z
)
R
ś
= f (U
Z
)
Skomentować otrzymane charakterystyki
Wyjaśnić, czy spirala Ŝarówka jest rezystancją liniową.
Co to jest rezystancja liniowa?
Tablica 1
U
Z
U
Z
I
P
I
P
P
W
P
W
R
ś
V
dz
dz
A
dz
W
Ω
40
60
80
100
120
140
160
180
200
230
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
10
7. Pytania kontrolne
1. Wymień podstawowe zasady łączenia układów pomiarowych prądu stałego
2. Wymień podstawowe zasady łączenia układów pomiarowych prądu
zmiennego
3. Co to jest wyłącznik jednobiegunowy i dwubiegunowy ?
4. Kiedy stosuje się wymienione wyŜej rodzaje wyłączników ?
5. Jakimi przewodami przyłącza się do obwodu woltomierze (chodzi o
przekrój)?
6. Dlaczego nie naleŜy przenosić zacisków źródła napięcia na zaciski
woltomierza ?
7. Jaka prosta zasada powinna obowiązywać przy włączaniu woltomierza do
obwodu ?
8. Jak przelicza się liczbę działek wskazywaną przez woltomierz i
amperomierz na wolty i ampery ?
9. Jak przelicza się liczbę działek wskazywaną przez watomierz na waty ?
10. Na czym polega błędne połączenie w układzie z rysunku 3. ?
11. Spróbuj wyjaśnić, jaką rolę spełnia amperomierz w układzie na rysunkach
6a, 6b.
8. Literatura
1. Bolkowski S. Elektrotechnika, WSiP, Warszawa 2006
2. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna, PWN Warszawa 2003
3. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego, WNT, Warszawa 1972
Ć
wicz. Nr 02. Schematy ideowe i rzeczywiste ...
11
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw poŜarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy naleŜy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŜy przestrzegać następujących zasad.
♦
Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w
stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
♦
Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
♦
Załączenie napięcia do układu pomiarowego moŜe się odbywać po
wyraŜeniu zgody przez prowadzącego.
♦
Przyrządy pomiarowe naleŜy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.
♦
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.
♦
Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie moŜe się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
♦
W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŜy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
♦
Stwierdzone
wszelkie
braki
w
wyposaŜeniu
stanowiska
oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŜy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
♦
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie naleŜących do danego ćwiczenia.
♦
W przypadku wystąpienia poraŜenia prądem elektrycznym naleŜy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŜdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŜonego.