3. EGYENÁRAMÚ MÉRÉSEK

Átírás

1 3. EGYENÁAMÚ MÉÉSEK Az egyenáramú hálózaszámíáshoz szükséges alapismereek az Egyenáramú hálózaszámíás c. részben vannak összefoglalva. A gyakorlaban gyakran van szükség az áramerősség vagy feszülség szabályzására (pl. hangszóró hangerejének beállíása, fűésszabályzás, sb.). Erre a célra szolgálnak a poencioméerek. Ezek olyan ellenállások, ahol az ellenállás-vezeéken egy csúszó konakus mozdíhaó el, ami szinén ki van vezeve az ellenállás ké vége melle. A poencioméer egyik vége és a csúszó konakus közöi ellenállás nulláól a poencioméer eljes ellenállásáig válozahaó. A mérés émája a poencioméer alkalmazásainak bemuaása. Szükséges eszközök: Tápegység: kb. 6 V egyenfeszülsége szolgála. A ápegységeke egy közponi egyenfeszülségű ápegységről üzemelejük. A ápegysége az elekromooros erejével (E) és belső ellenállásával ( ) jellemezzük. Állandó ellenállások () szám- ill. beűjellel elláva. Digiális kijelzésű univerzális mérőműszer (M): A műszerrel egyen- (DC) és váló- (AC) feszülsége ill. áramo, valamin ellenállás udunk mérni. A műszer COM és ma bemeneé használjuk árammérésnél, a COM és V/Ω bemenee feszülség- és ellenállásmérésnél. Állísuk a műszer a megfelelő funkcióra és olyan méréshaárra, ami felélenül nagyobb a mérendő mennyiségnél! Mérési soroza felvéele közben ne válozassuk a méréshaár, mer ezzel megválozik a műszer belső ellenállása, és ez befolyásolja a mérési eredmény! A digiális muliméer belső ellenállása volméer funkcióban kb. 50 MΩ, de ma árammérőkén használva néhány száz Ω. elikális poenciomeer, azaz helipo (): A poencioméer egy hárompólus: egy olyan ellenállás, aminek nem csak a ké végén van egyegy kivezeése, hanem van egy harmadik is a csúszó érinkező, röviden csúszka, amelynek helyzee állíhaó a ké vége közö eszőleges helyzebe. A csúszó érinkező a eljes ellenállás ké részre oszja. A helipo olyan poencioméer, ahol a csúszó egy henger palásján, csavarvonalban halad, ami ponosabb állíás esz leheővé. a helipo összellenállása. A helipo 0 fordulaú, 00-as oszású (azaz 0-ól 000-ig állíhaó) érékállíóval -ún. mikrodiállal- van elláva, az ezen leolvaso n skálarésszel egyenesen arányos a helipo egyik (0-hoz köö) vége és a csúszója közöi ellenállás, : = (n/000) A helipo panelra van szerelve. Az egymás alai kivezeések össze vannak köve a panel háoldalán, hogy megkönnyísék az elágazások szerelésé. A szélső kivezeések a helipo végponjaihoz, a középső kivezeések a helipo csúszójához csalakoznak. Mérőzsinórok. A kompenzációs méréshez: (szorgalmi felada) Galvanoméer (G): Nagy érzékenységű Deprez-rendszerű analóg műszer. Mikroamper nagyságrendű áramerősségek deekálására alkalmas. Weson-féle normálelem:,0865 V elekromooros erejű feszülség-ealon. Ismerelen elekromooros erejű feszülségforrás. Jegyezzük fel a kiado eszközök adaai: a muliméer ípusá, a galvanoméer adaai, a ápegység számá, az ellenállások és a helipo jelé. Mérjük meg - az ellenállások (beűs és számos) éréké, - a helipo összellenállásá és - a erhelelen ápegység feszülségé. 3. Egyenáram /

2 3.. Soros áramkörszabályozás A 3.. ábrán láhaó áramkörben a poencioméer csúszójának válozaásával (azaz az áramkörbe beköö ellenállásának válozaásával) udjuk szabályozni a vele sorba köö ellenálláson áfolyó áram nagyságá (és a raja eső feszülsége, és a eljesímény): 3.. ábra. Soros szabályozás Az áramkör eredő ellenállása e = a, ahol a feszülségforrás, a pedig az ampermérő belső ellenállása. Az áramkörben folyó áram: E I( ) =. () a Mérési felada: - Állísuk össze a 3.. ábrán láhaó kapcsolás! - Az ellenállás válozaásával (a helipo mikrodiáljának forgaásával) válozassuk az áramkörben folyó áramo és mérjük különböző éréknél! A mérés kiérékelése: - A helipo ellenállásának és a mikrodiálállásnak ismereében számoljuk ki éréké! - Foglaljuk áblázaba az összearozó I /I adaoka! - Ábrázoljuk /I- függvényében! Ez a függvény lineáris: a = +, (2) I E E meredeksége az elekromooros erő reciproka, engelymeszee pedig ( a ) / E. - aározzuk meg az ábrázol egyenes meredekségéből az elekromooros erő, engelymeszeéből pedig a körben lévő állandó ellenállás, illeve ebből az ismer ellenállás éréké kivonva a elep és a ma mérő belső ellenállásának összegé, azaz + a -! Szorgalmi felada: illesszünk egyenes a legkisebb négyzeek módszerével! Beadandó: az I /I ábláza, az /I grafikon a mérési ponokhoz illesze egyenessel, és az egyenesből meghaározo E elekromooros erő és + a, a belső ellenállások összege. 3. Egyenáram / 2

3 3.2. Poenciomerikus feszülségszabályozás A 3.2. ábrán láhaó áramkörben a helipo csúszójának állíásával válozahaó az A,B ponok közé köö ellenálláson eső U AB feszülség (és a raja áfolyó áram, ill. a eljesímény): 3.2. ábra. Poenciomerikus feszülségszabályozás A volmérő ideálisnak (végelen nagy ellenállásúnak) ekinve a elepe erhelő eredő ellenállás: e = + ( ) és a elepen áfolyó áram I = E / e. Az erhelésen az U AB feszülség ennek az áramnak és az a párhuzamosan köö és ellenállások eredőjének szorzaa. : U AB (, ) = E = E (3) ( ) ( ) + ( ) Az A,B ponok közi feszülség a helipo ellenállásának növelésével monoon, de nem lineárisan nő. Minél nagyobb az erhelő ellenállás éréke, annál jobban megközelíi a függvény az egyenes, ami akkor kapunk, ha éréke végelen nagy: U AB (, ) = E (4) Ekkor ugyanis a kör eredő ellenállása érékéől függelenül e = Egyenáram / 3

4 Mérési felada: - Állísuk össze a 3.2. ábrán felünee kapcsolás! - Mérjük az állandó ellenálláson eső feszülsége 5 különböző éréknél: 50 skálarész lépésekben 400 skálarészig, uána 00 skálarészekkén) (U AB (,))! - Távolísuk el az ellenállás (ezzel az ellenállás éréké végelenre növelük) és mérjük meg az U AB feszülsége az érékállíó ké szélső és középső állásánál! A mérés kiérékelése: - Ábrázoljuk a mér U AB (,) feszülségérékeke érékének függvényében! - Tünessük fel a grafikonon az ellenállás elávolíásával mér 3 U AB (, )) éréke is! - úzzunk origón ámenő egyenes a 3 U AB (, )) ponra! Olvassuk le az egyenes meredekségé és számoljuk ki belőle éréké! (Az E elekromooros erő éréké a soros áramkörszabályozásnál már meghaározuk.) - A soros szabályzásnál megkapuk a műszer és a elep belső ellenállásainak összegé, mos pedig a elep ellenállásá. Számoljuk ki ezekből az ampermérő a belső ellenállásá! Szorgalmi felada: illesszünk egyenes a legkisebb négyzeek módszerével! Vegyük figyelembe, hogy ebben az eseben az egyenes engelymeszee zérus (b=0), így a lineáris regresszió első egyenleéből számolhaó a meredekség! Beadandó: a mérési eredmények (, U AB (,), U AB (, )) áblázaosan és grafikusan, valamin, a elep belső ellenállása és a, a ma-mérő belső ellenállása. 3. Egyenáram / 4

5 3.3. SZOGALMI FELADAT: Kompenzáció Volmérővel úgy mérjük meg egy eszőleges AB képóluson eső U AB feszülsége, hogy párhuzamosan köjük a volmérő a mérendő hálózarésszel (az A és B ponok közé). A volmérő véges v ellenállása mos része lesz az áramkörnek, egy új ága nyiunk az AB képólussal párhuzamosan, az áramkör megválozik, és így a mér feszülség különbözni fog aól az U AB érékől, melye mérni akarunk. A hiba annál kisebb, minél nagyobb a volmérő belső ellenállása. Ideális volmérő belső ellenállása végelen. A Deprez-rendszerű analóg műszerek alapműszerének belső ellenállása V méréshaárnál ohm. A mérésnél használ digiális volmérőnk belső ellenállása kb. 50 MΩ. Az olyan akív képóluson, melynek nagy a belső ellenállása, vagy csak nagyon kis áramerősséggel erhelheő, különben kimerül (pl. elekrokémiában az elekródpoenciálok mérésénél), olyan módszer kellene válaszani feszülségméréshez, melynél nem folyik áram a mérendő feszülségforráson kereszül. Erre ad leheősége a kompenzációs elv, amikor a mérendő feszülsége egy ismer, sandard feszülséggel hasonlíjuk össze. a egy hurokba ké azonos elekromooros erejű elepe köünk egymással szemben, akkor a hurokban nem folyik áram. A kompenzációs feszülségmérés az jeleni, hogy a mérendő feszülségforrással szemben egy válozahaó feszülségű forrás köünk, melynek a feszülségé úgy állíjuk be, hogy az áramerőség nulla legyen. ogy valósíjuk meg ez a gyakorlaban? Az előbb láuk, hogy poencioméerrel udunk feszülsége szabályozni. Kössük egy elepe a poencioméer ké végéhez, akkor a poencioméer zérus ponja és a csúszó egy válozahaó feszülségű forrásnak felel meg. Ezekhez a ponokhoz kapcsoljuk a mérendő feszülségforrás AB sarkai úgy, hogy a körbe még egy érzékeny árammérő műszer (galvanoméer) ikaunk be (5.3 ábra). Vigyázzunk, hogy a elep és a mérendő feszülségforrás azonos előjelű pólusai érinkezzenek! A csúszó helyének válozaásával elérjük, hogy a galvanoméer zérus áramo muasson: ekkor a csúszó és a 0 pon közöi feszülség megegyezik a mérendő feszülségforrás U BA feszülségével, és ez a feszülség arányos az ellenállással és a T elepen folyó árammal, I s - sel: U C0 = I s ábra. Állandó áramú (Poggendorf) kompenzáor I s függelen a mérendő feszülségől a kompenzál állapoban, amikor a galvanoméeren nem folyik áram. I s - a segédelep ε s elekromooros ereje és a segédáramkörben lévő eredő ellenállás haározza meg; az uóbbi magába foglalja a helipo ellenállása melle a elep belső ellenállásá is, mely álalában nem ismer. I s - meghaározhajuk viszon egy ismer elekromooros erejű feszülségforrás segíségével, pl. Weson-féle normálelemmel. Legyen a normálelem feszülsége ε 0. Kössük az ismerelen képólus helyére, és kompenzáljuk ki a kör. Legyen ekkor az OC ellenállás éréke 0 ; ekkor U OC (normálelem) = ε 0 = I s 0. Kössük mos az AB képólus a kompenzáorra. Kompenzáljuk ki az áramkör. A heliporól leolvashaó ellenállás legyen mos OC = x, és U OC' (ismerelen) = U x = I s x. 3. Egyenáram / 5

6 A ké egyenlee eloszva I s kiesik, és az ismerelen feszülség U x = ε 0 x / 0. (5) A helipo ellenállása arányos a leolvashaó skálarészekkel, N-nel. a a normálelem eseében N 0 skálarésznél áll a csúszka a kompenzál állapoban, az ismerelen feszülség mérésénél pedig N x - nél, akkor a meghaározandó feszülség U x = ε 0 N x /N 0. (6) Weson-féle normálelem Feszülségealonkén használaos kadmium-normálelem, melynek elekromooros ereje csak kissé függ a hőmérsékleől, 20 C-on,0865 V. Speciális felépíése mia gyakorlailag sohasem "merül ki", mivel nempolározódó elekródokkal rendelkezik. (Anódja g 2 SO 4 péppel fede higany, a kaód kadmium amalgám CdSO 4 -al fedve, az elekroli kadmiumszulfá elíe vizes oldaa). Csak 0 µa-nél kisebb áramerősséggel erhelheő. A Weson-féle normálelem felépíése A mérés kivielezése a.) Állísuk össze a 3.3. ábra szerin az állandó áramú kompenzáor úgy, hogy a helipo "0" ponja a segédelep negaív pólusával legyen összeköve. Ekkor a helipo csúszójának "0" helyzeében U A'B' = 0. b.) ielesísük a kompenzáor a Weson-elemmel. Kapcsoljuk az elem negaív sarká a B ponhoz, poziív sarká a galvanoméerhez, és a csúszó válozaásával keressük meg az árammenes állapoo. Ekkor ikassuk ki a galvanoméer védőellenállásá, és ebben az érzékeny állapoban kompenzáljuk ki az áramkör. Olvassuk le az érékállíón a csúszka helyzeé, és jegyezzük fel N 0 -. Isméeljük meg 5-ször a mérés. c.) Mos kössük az ismerelen elekromooros erejű elepe össze a kompenzáorral, figyelve a polariásra! I is keressük meg az árammenes állapoo és olvassuk le az a csúszó helyzeé az érékállíón (N x ). Ez a mérés is 5-ször isméeljük. A kompenzáorral sem udunk árammenessége bizosíani, a galvanoméer leolvasási hibájánál kisebb áram még folyha az áramkörben. Ez µa nagyságrendű. A jegyzőkönyvben beadandó: aározzuk meg N 0 és N x álagá és hibájá. Számísuk ki az ε x elekromooros erő a (6) képleel, valamin ε x hibájá az N 0 és N x mérésének hibájából. a a méréssoroza kiérékelésénél fél skálarésznél kisebb hibá kapunk, számoljunk fél skálarész leolvasási hibával! 3. Egyenáram / 6