Név: Kurzus kód:. Mérések napja, időpontja: Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Műszertechnikai és Automatizálási Intézet MÉRÉSTECHNIKA LABORATÓRIM 2/C Budapest, 2014 A mérések fejlesztésében és összeállításában részt vettek Markella Zsolt Tényi V. Gusztáv A kiadvány szerzői jogi védelem alatt áll, arról való másolat készítése csak az ÓE-KVK-MAI méréstechnika laboratóriumi kurzusát felvevő hallgatók számára engedélyezett. Minden egyéb esetben a szerzők előzetes írásbeli engedélye nélkül a kiadvány másolása és jogosulatlan felhasználása bűncselekmény.
Tartalomjegyzék 19. sz. laboratóriumi mérés 3. oldal Mérőátalakítók mérése III. (Induktív átalakító) 21. sz. laboratóriumi mérés 5. oldal Mérőátalakítók mérése IV. (Fordulatszám mérése) 22. sz. laboratóriumi mérés 8. oldal Impedanciamérés II. A mérés elvégzésének dokumentálásakor különleges gondot kell fordítani a mérés reprodukálhatóságára! 2
Mérőátalakítók mérése III. Induktív átalakító 1. A mérés célja: Az elmozdulás mérésére alkalmas induktív átalakító fontosabb statikus méréstechnikai jellemzőinek megállapítása. 2. A méréshez szükséges elmélet: Az átalakító jellemzőinek változását hídba kötve mérjük. A mérőhidak kapcsolásai a következők lehetnek: negyedhíd, félhíd, kettős negyed, vagy átlós híd, teljes híd. A mérés során vizsgálatunk csak a félhídat vizsgáljuk. A kapcsolások alapvető méréstechnikai jellemzőinek meghatározását kell elvégezni, úgymint a mérési tartomány, az érzékenység (Ét), a pontosság (linearitási hiba, hiszterézis hiba, ), a referenciatartomány ill. zavarérzékenység (hőmérséklet) megállapítását. A fentiek többségének megállapításához a mérőátalakító statikus karakterisztikáját kell felvenni. A linearitási hiba megállapítása az előző mérésen ismertetettek szerint történik. A modell leírása: A mérésben egy kéttekercses mérőátalakítót vizsgálunk, differenciakapcsolásban. Az elmozdulást (Δ) 1/100 mm-es mérőórával mérjük. Az induktív átalakítókkal végzett méréseknél a kimeneti feszültség nagyságát (így az érzékenységet is) befolyásolja a mérőfrekvencia nagysága, a vizsgálat erre nem terjed ki, csak fakultatív lehetőség. A mérőfrekvencia 5 khz legyen. Az érzékelő elemeket tartalmazó modell kivitele csak a mérési elv bemutatására alkalmas, azzal az induktív átalakító által biztosított mérési pontosság nem valósítható meg. 3. Mérési feladatok: 3.1. Elmozdulás - feszültség karakterisztika felvétele és kiértékelése A mérési feladat terve: A mérés célja: A félhídba kapcsolt kéttekercses induktív átalakító érzékenységének, pontosságának megállapítása adott mérési tartományban. Az elmozdulás legnagyobb mértéke 3 mm, a mérést 0,5 mm-enként végezze. A mérési eljárás: 3
a) A mérendő objektum: A félhídat az R3-as 100Ω-os (0,5W) ellenállások felhasználásával építse fel! A híd táplálását 3V-os amplitúdójú 5 khz frekvenciájú színuszjel legyen. Az eredményeket foglalja táblázatba! Rajzolja meg a hídkapcsolás ki(δ) karakterisztikáját! Állapítsa meg a híd átalakítási tényezőjét (érzékenységét), linearitási hibáját! A híd kimeneti feszültségét vizsgálja meg oszcilloszkóppal is. FIGYELEM AZ OSZCILLOSZKÓP BEMENETE ASZIMMETRIKS!!! (Ez azt jelenti, hogy a hideg pontja földelt!) Tehát a két csatorna földjét és a generátor földjét egy pontban kell közösíteni, mert egyébként valamely alkatrészt rövidre zárnánk a földön keresztül. Csatlakoztassa a CH1 bemenetet az induktivitások közös pontjára, a CH2 bemenetet pedig az R3 ellenállások közös pontjára. (Ezzel a megoldással a híd kimenetének két pontját csatlakoztatjuk az oszcilloszkópra.) A CH1 csatornán az L2 tekercsen lévő feszültség, míg a CH2 csatornán a hidat tápláló váltakozófeszültség fele (a két R3 ellenállással leosztott) mérhető. Az oszcilloszkóp MATH MEN-jében válassza a két csatorna jelének különbségét. Ezzel a módszerrel a híd kimeneti feszültségét is meg tudja jeleníteni az oszcilloszkópon. Figyelje meg a kimenő jel fázisváltását! 4
Mérőátalakítók mérése IV. Fordulatszám mérése 1. A merés célja: Megismerni a fordulatszám mérésének villamos eljárásait, és eszközeit. 2. A méréshez szükséges elméleti alapok: Kis teljesítményű villamos motorok, illetve kis nyomatékot átvivő forgó elemek mérését a kis visszahatás miatt - szinte kizárólag villamos eljárással valósítják meg. E módszerek közül azokat ismertetjük, amelyeket a mérési modell segítségével a gyakorlatban is kipróbálhatunk. 2.1. Fordulatszámmérés tachométer generátorral. A tachométer generátor egyen-,vagy váltakozóáramú gerjesztéssel rendelkező generátor, amely rendszerint közös tengelyen helyezkedik el a vizsgált gépcsoporttal, így fordulatszáma szigorúan megegyezik a mérendő fordulatszámmal. Legfontosabb tulajdonsága, hogy a kimeneti feszültsége (egyen, illetve váltakozó) - a méréstartományon belül - aranyos a fordulatszámmal. A gondosan kivitelezett tachométerek linearitási hibája kisebb, mint 1 %. 2.2. Mérés mágneses jeladóval. Amennyiben a forgó géprészen egy-, vagy több állandó mágnest helyezünk el és a mágnesekhez képest oly módon rögzítünk egy tekercset, hogy forgásközben a tekercs meneteiben változzon a fluus, akkor a tekercsben mindannyiszor indukálódik feszültség valahányszor a mágnes elhalad a tekercs előtt. A feszültségimpulzusok számlálásából meghatározható a tengely fordulatszáma. 2.3. Optoelektronikus mérés. Ha egy forgó tengelyre átlyukasztott tárcsát helyezünk és a furatot úgy világítjuk át, hogy a fényforrással szemben helyezkedjen el egy 5
optikai érzékelő (fotóellenállás, fényelem), akkor a forgó tárcsa megszaggatja a fénysugár útját és ennek hatására a fotóérzékelő egy-egy feszültségimpulzust szolgáltat. (Természetesen a fény visszaverődéses elven is működhet eszköz. Mint például a Testo 460 optikai fordulatszám mérő) A testo 460 optikai fordulatszám érzékelő működése: A műszerből kibocsájtott fény a forgó testen elhelyezett reflektív felületről visszaverődik és ezt érzékeli a műszer. A felülettől 10 és 40 cm közti távolságban ajánlott tartani az eszközt a felületre merőlegesen. Figyelem amennyiben több reflektív felület is van az egy fordulat alatti többszöri visszaverődés miatt helytelen értéket fog mérni a műszer! 2.4. A fordulatszámmérő modell leírása. A tachométerrel egybeépített serleges szervomotor, és a kiegészítő egységek megfelelő kivezetésekkel ellátott 7-es panelon helyezkednek el. A kapcsolási elrendezést az alábbi ábra szemlélteti. Az szervomotorral közös tengelyen helyezkedik el a tachométer generátor és a tárcsa. A szervomotor gerjesztőtekercse 42 V 50 Hzes jelre kapcsolódik (ezt a panel hátoldalán megkapja), míg a vezerlőtekercs ~ 0-12 V közti feszültségét a toroid transzformátorral állítjuk elő. Így a vezérlő feszültség 0-12 V között változtatható. 6
A tárcsára rögzített mágnes forgás közben a tekercsben feszültséget indukál, amely feszültség a Mágneses jeladó feliratú kimeneten vehető le. Az optikai jelátalakító fényforrása a LED melynek fénye a furaton keresztű1 jut el a fényelemre mely kimeneti jele az Optikai jeladó feliratú csatlakozóról vehető le. A LED működtetéséhez ±15 V-os tápfeszütséget kell a panel -15V, COM, +15V kapcsaira kötni. A tachométer a 12V-os táplálást megkapja a panel hátoldala felől, a kimenti feszültségét a Tachométer kapcsokról lehet levenni. 3. Mérési feladatok: 3.1 Vezérlőfeszültség-fordulatszám jelleggörbe felvétele. Kapcsoljon a 7. mérőpanelre a ±15 V-os tápfeszütséget valamint csatlakoztassa a toroid transzformátort 0-ra állítva. Kapcsoljunk a Vezérlés és a Tachométer feliratú pontra egy - egy digitális multimétert (váltakozófeszültségű állásban). A jeladó kimeneteket vizsgálja az oszcilloszkóp két csatornájával. Fokozatosan növelve a vezérlőfeszültséget a toroid transzformátor segítségével. Vegye fel a vezérlő feszültség függvényében a különböző érzékelők által mért értékeket. Ábrázolja a mért fordulatszámokat (mágneses, optikai jeladók és a testo 460-as műszer adatai) a vezérlő feszültség függvényében egy közös ábrában. 7
1. A mérés célja: Impedanciamérés II. Impedancia és admittancia mérési módszereknek, a mérés körülményeinek tanulmányozása, valamint műszerekkel való mérés; amelyekkel passzív kétpólusok induktivitását, kapacitását, ellenállását, vezetését, veszteségi tényezőjét határozhatjuk meg. Olyan mérési elvekkel foglalkozunk, olyan mérőköröket modellezünk, amelyeket a mai nagypontosságú digitális (mérőrendszerbe illeszthető, mikroprocesszorral ill. számítógéppel vezérelt) mérőműszerekben alkalmaznak. 2. A méréshez szükséges elmélet: Az elemek helyettesítő képei: Impedanciamérést legtöbb esetben azért végzünk, hogy segítségével áramköri elemek (ellenállások, kondenzátorok, tekercsek stb.) villamos jellemzőinek értékére következtetni tudjunk. A mérendő alkatrészek, kétpólusok - mint tudjuk - sohasem jellemezhetők egyféle paraméterrel, mert mindegyiknek járulékos ("parazita", "szórt") paraméterei is vannak. Ha a frekvencia nem etrém nagy (1-2 MHz alatti), akkor a valóságos alkatrészek impedanciáját befolyásoló szórt elemek közül általában csak egyetlen egyet, a legfontosabbikat vesszük figyelembe (jelen esetben ezek mérését tekintjük egyik feladatunknak): - a valóságos ellenállásokat egy ideális ellenállásból és (a szórt kapacitást jelképező) párhuzamos kondenzátorból álló kétpólusnak tekintjük (1.a. ábra) - a valóságos kondenzátorokat egy ideális kondenzátorral (értéke adott frekvencián C ) és egy, a veszteségeket jelképező párhuzamos vezetéssel (adott frekvencián G ) helyettesítjük (1.b. ábra) - a valóságos induktív tekercseket egy ideális induktív tekerccsel (értéke adott frekvencián L ) és egy, a veszteségeket jelképező soros ellenállással (adott frekvencián R ) helyettesítjük (1.c. ábra). Fontos tudnunk, hogy a kondenzátorok veszteségét jelképező G és az induktív tekercs veszteségét jelképező R nem azonos az egyenáramon mérhető értékkel! A veszteségeknek - mint tudjuk - sokféle forrása van, és különböző frekvenciákon ezek különbözőképpen érvényesülnek, ezért a 8
veszteségi jellemzők frekvenciafüggőek. Így, ha bármelyiket megadjuk (megmérjük), akkor ehhez mindig meg kell adnunk a frekvenciát is. a. b. c. 1.ábra Impedancia mérésekor legtöbbször a mérendő elem fenti helyettesítőkép összetevőinek értékét kívánjuk meghatározni adott frekvencián (vagy egy frekvenciasávban adott frekvenciákon). Érdemes megjegyezni, hogy ellenállásokat gyakran egyenáramú körökben használunk fel, így a párhuzamos kapacitás mérésre nincs szükség. Az is előfordul, hogy reaktív (C, L) alkatrészek veszteségét jelképező vezetés ill. ellenállás helyett könnyebben értelmezhető és felhasználható eredményt ad a veszteségi tényező (tgδ: Dissipation factor) ill. a jósági tényező (Q: Quality factor) mérése. Az 1.b. ábra kondenzátor helyettesítőképére a következő összefüggés áll fenn: G tg * C Az 1.c. ábra induktív tekercsére: * L Q R Ezek szerint elvileg közömbös, hogy egy impedanciamérő műszer a kapacitás ill. induktivitás mellett a veszteségi vezetést (ill. ellenállást), vagy pedig a veszteségi tényezőt (ill. jósági tényezőt) képes megmérni: a kétpólus jellemzői mindenképpen egyértelműen határozottá válnak. 2.2. Közvetlenmutató, lineáris jelet szolgáltató (digitális mérésre alkalmas) mérőáramkörök alapelvei Ellenállás (valós impedancia) mérésre használatos alapáramkör Gyakran használatos, a mai műszerekben szinte "szokványos" alapkapcsolás, amely a mérendő ellenállás, R értékével arányos kimeneti feszültséget szolgáltat, az 2. ábrán látható műveleti erősítős elrendezés. 9
R ki * R RN 2. ábra A mérendő R ellenállást a visszacsatoló ágba helyezzük, a bemeneti oldalra egy nagyon pontos referencia feszültségre ( R ) kapcsolódó soros R N normál ellenállást teszünk. A műveleti erősítő igen nagy erősítése folytán a negatív visszacsatolás segítségével olyan egyensúlyi állapot fenntartására törekszik, amelyben két bemenete ( +: nem invertáló, fázist nem fordító; illetve -: invertáló, fázisfordító ) között a feszültség gyakorlatilag zérus. Mivel a + bemenet földpotenciálon van, másik, invertáló bemenetén is gyakorlatilag 0 V alakul ki. Ez azt jelenti, hogy a normál ellenálláson I o = R /R N áram folyik, ami R -en folyik át ( az erősítő bemenetének áramát zérusnak, elhanyagolhatónak tekintjük; ilyen típust kell alkalmazni). A kimenet feszültség: R ki Io * R r Rn Látható, hogy a (kis kimeneti impedanciával) keletkező kimeneti feszültség egyenesen arányos a mérendő R értékével, pontossága R -től és R n -től függ (pl. ha R = -1 V és R N = 1 kohm, akkor ki annyi V, ahány kohmos a mérendő ellenállás). Az ki és R közötti arányosság lehetővé teszi az ellenállások lineáris skálájú akár digitális mérését. A digitális műszerek javarészében R értéke nem kritikus, mert arányt mérnek; vagyis értékét adják végeredményül. r Az aktív, műveleti erősítőt tartalmazó kapcsolás tehát helyettesíti a Wheatstone-hidat, "automatikus kiegyenlítésű fél-hidat" alkotva (a híd k i r R R n 10
"kimeneti feszültségét" automatikusan nullára állítja, ez az invertáló bemenet virtuális földpontja). Reaktív elemek mérésére szolgáló áramkörök A fenti elven működő, kapacitás mérésére szolgáló mérőkör a 3. ábra szerinti elrendezésű lehet. k i o R N * j C 3. ábra A generátornak szinuszos váltakozó feszültséget kell szolgáltatnia, a mérést adott, ismert frekvencián hajtjuk végre. A mérendő kondenzátor most a bemeneti ágban van, az ellenállás-méréshez képest "fordított" elrendezésben, tekintve, hogy az impedancia CX-el fordítottan arányos, de mi CX-el egyenesen arányos kimeneti feszültséget kívánunk előállítani. Az erősítő RN-en keresztül most is fenntartja a virtuális nullát, így I o = o Y c = o * j ω C, ez áthaladva R N -en ki = - o R N * j ω C "hasznos" feszültséget hoz létre. Ez a szinuszos kimeneti feszültség, mint látjuk arányos C -el, vagyis ki egyenirányításával C kapacitás közvetlenül mérhető. 11
Induktivitás mérésre a 4. ábra elrendezése alkalmas (az ellenállásmérő váltakozóáramú változata, hiszen az impedancia egyenesen arányos L-el). ki I o j L k i R o N * j L 4. ábra A fenti mérőkörök ebben a formában általában nem, vagy csak igénytelen helyeken használatosak C ill. L mérésére az alábbi főbb hátrányok miatt: a./ A mérendő kondenzátor ill. induktív alkatrész a valóságban nem tisztán kapacitív ill. induktív impedanciájú, hanem a veszteségek miatt valós komponenst is tartalmaz (lásd az 1. ábra helyettesítőképeit! - feladat éppen C és G valamint L és R megmérése). A valós komponens miatt a mérési hiba nagy, különösen, ha a veszteség számottevő (ugyanúgy, mint a mérőhidak esetében). b./ A mérőkör ki kimeneti feszültsége - ahogy az előző képletből látható ω-tól vagyis a mérőjel frekvenciájától, a generátor feszültségétől és a kapcsolásban lévő ellenállástól, is függ. Ezért a mérési pontosságát ezek a tényezők is befolyásolják. A mai, nagy pontosságú műszerekben ezért az impedancia fizikai definiciójából kiinduló, a digitális arány méréshez jobban igazodó - igaz, hogy bonyolultabb - mérőelektronikával a fenti problémákat általában a következőképpen küszöbölik ki: a./ Fázisérzékeny egyenirányítóval (fázis detektorokkal) szétválasztják az impedanciával vagy admittanciával arányos jel (3.,4. ábra: ki ) valós és képzetes részét (vagyis ki 0 o -os, o -lal fázisban lévő és 90 o -os, azaz o - 12
tól 90 o -kal eltérő komponensét) és ezek segítségével következtetnek G ill. R, valamint C ill. L értékére (5. ábra) 5. ábra b./ Kihasználva az aránymérés adta lehetőségeket, a mérőköröket úgy alakítják ki, hogy a végeredmény ne függjön a frekvenciától, a generátor feszültségtől, vagyis úgy, hogy a hányados képzése közben "essenek ki" ezek a tényezők. Mérési gyakorlatunkon ilyen áramköröket modellezünk és vizsgálunk. Egy kapacitásmérő áramkör (végletekig leegyszerűsített) modellje látható a 6. ábrán. ki1 orn G j C ki2 oro j C 6. ábra Ezen megtaláljuk a mérendő (1. ábra helyettesítőképe szerinti) impedanciát magába foglaló "fél hidat" (egyezésben a 3. ábra áramkörével). Az A1 erősítő kimeneti feszültsége R ( G jc ) ki o N orng j ornc 13
Ez arányos a mérendő G és C értékkel, de ahhoz, hogy mindkettőt különkülön mérhessük és kijelezhessük, szét kell választanunk ki valós ( o -lal fázisban lévő) és képzetes ( -lal 90 o -os fáziseltérésben lévő) komponensét. o A szétválasztást, a 0 o -os és a 90 o -os komponenssel arányos egyenfeszültség előállítását az áramköri rajzon F1, F2, F3, F4-el jelölt szinkron egyenirányítók, fázisdetektorok segítségével végezzük. A fázisdetektor legegyszerűbb kivitelben egy analóg (elektronikus) kapcsoló, amelyet egy alapjel (referencia jel) vezérel. A referencia jel egyik félperiódusában a kapcsoló átengedi a jelet, másik félperiódusában kikapcsol. A működés ebben a változatban tehát hasonló az egyutas (együtemű) egyenirányító működéséhez, csak most a referencia jel szabja meg, hogy az egyenirányítandó jel melyik időpillanattól meddig haladhat át, és mikor nem. A viszonyokat a 7. ábra szemlélteti. 7. ábra Az általános helyzetű, a referenciákhoz képest kezdőfázisú sin (ωt + φ ) jelből a fázisdetektor 0-tól T/2 -ig tartó "darabokat" enged át, amelynek középértékét mérjük (szűréssel digitálisan, vagy analóg műszerrel). Ez a középérték: DC T 1 2 T 0 1 p sin( t ) dt p cos vagyis ugyanakkora, amekkora egy cos φ csúcsértékű szinusz feszültség egyutasan egyenirányított középértéke (emlékeztetünk arra, hogy egy szinuszjel egyutas egyenirányítás utáni középértéke, egyen-komponense: / п!.) Az cos φ viszont nem más, mint a fázisdetektorra adott váltakozófeszültség komple csúcsértékének valós része, tehát a 0 o -os fázisdetektor végeredményben egyenirányítja a jelnek a referenciával fázisban lévő összetevőjét. 14
A 7. ábra idődiagramja segítségével könnyen belátható, hogy pl. 90 o -os komponens jelenléte esetében vagyis, ha φ = 90 o, a középérték zérus (a valós rész zérus). Amennyiben a fázisdetektort vezérlő jel az eredeti referencia jelhez képest 90 o fázisú, úgy a fázisdetektor által előállított középérték: DC T 1 4 T T 4 1 p sin( t ) dt p sin ami nem más, mint a jel képzetes részének (a referenciával 90 o -os fázisban lévő részének) egyenirányított középértéke (8 ábra) 8. ábra A kapacitásmérő kapcsolásában (6. ábra) a mérendő feszültségek valós részét egyenirányító (0 o -os jellel vezérelt F1 és F2) és a képzetes részt egyenirányító (90 o -os jellel vezérelt F3 és F4) fázisdetektorok kimenetén aluláteresztő RC szűrővel állítjuk elő a (fent meghatározott) egyenközépértékeket. A kimenetekre feszültségmérő műszereket rajzoltunk: a mérési gyakorlaton természetesen egyetlen műszerrel "járjuk végig" a mérendő pontokat (elektromechanikus, vagy szűrővel ellátott ill. integráló digitális műszerrel történő méréskor az RC szűrőre nincs szükségünk), a valóságos digitális mérőműszerekben ezek a feszültségek az analóg-digitál átalakító bemeneteire jutnak, ezeket "dolgozza fel" a műszer. A kapacitás-érték meghatározásához még egy "fél hidat" képeztünk ki az A2 erősítővel és a végkitérést meghatározó CN normál, referencia kondenzátorral, amelynek kapacitását pontosan ismerjük (vesztesége nem kritikus, csak A2 kimeneti feszültségének képzetes részét használjuk fel). A generátorfeszültséggel ( o -lal) fázisban lévő, 0 o -os jellel vezérelt F1 és F2, valamint a 90 o -os fázis eltéréssel vezérelt F3 és F4 fázisdetektorok ki-meneti jelének mérésével már közvetlenül meghatározható C és G. A 6. ábra A és B feszültségének 15
(vagyis az erősítők kimeneti jele 90 o -os komponensének) hányados képzésével: B A p * RN * C RN p R C * R C o o * N N * C vagyis C -el arányos értéket kapunk, amely független a mérőfrekvenciától! Mint említettük a mai digitális mérőműszerek hányadost képeznek vagy a bennük lévő analóg-digitál átalakító működési elvéből eredendően, vagy pedig a beépített processzor segítségével. Ez a mérőkapcsolás igen nagy előnye. Fontos tudnunk, hogy most C mérésében a párhuzamos vezetés nem okoz hibát! A párhuzamos vezetés, G értéke 2 és 1 (tehát a valós komponensek) hányadosméréséből határozható meg: po 2 1 * RN * G RN * G * G 1 p GN Az induktivitásmérő kapcsolásban az A1 erősítő a 4. ábra szerinti elrendezésének megfelelő. A reaktanciamérés referenciájaként induktivitás mérésekor is az ismert értékű CN normál-kondenzátort (kondenzátor sorozatot több méréshatárhoz) használjuk fel. Tehát nem szükséges a méréshez induktivitás-normália ami nagy előny. A 90 o -os referenciával vezérelt fázisdetektorok kimeneti jelének aránymérésével az előzőkhöz hasonlóan a kérdéses L-el arányos értéket kapjuk (frekvencia függetlenül). B A po * RN po * L 1 * L * Ro * CN RN * Ro * CN A valós komponensek aránymérésével a soros veszteségi (helyettesítő) ellenállással arányos értéket kapunk: 2 1 po * RN po * R 1 * R RN A mérési eredmények ez esetben is "függetlenek egymástól", azaz a veszteség nem befolyásolja az induktivitásra kapott értéket, a soros veszteségi ellenállás adott frekvencián mutatott értékét nem befolyásolja az induktivitás. A normáliákat mérésünkön az alábbi értékűekre választjuk: 16
R N = 1 kohm ; R o = 10 kohm ; C N = C o = 100 nf. A méréseket - azért, hogy ellenőrző méréseinkkel is egybeessen és egyszerűek legyenek - f = 159 Hz frekvencián végezzük, így ω = 1000 rad/s, kerek érték. Végül jegyezzük meg, hogy az általunk modellezett összeállítás a lehetséges mérőkörök csak egy (egyszerűsített) változata. A valóságos műszerek több méréshatárban dolgoznak (váltják C N -et, R N -et), a mérési frekvencia is nagyobb, több (pl. 1 MHz), és ebből következően, valamint a nagy pontosság igény miatt is többféle finomításra, kiegészítésre, kompenzációra van szükség.!!!megjegyzés!!! Figyelem a 4. mérőpanel áramköre különbözik a 6. ábrától! Nincsen mindegyik (A, B, 1, 2) kimeneten egy alul áteresztő szűrő, így oszcilloszkóppal vizsgálhatók a jelalakok. A kimeneti egyenfeszültség mérésekor az R22-ből és C7-ből álló szűrőt kell csatlakoztatni az aktuálisan mért kimentre. 3. Mérési feladatok: 3.1. Végezze el a HAMEG HM 8018 tip. L-C mérővel - a mérőhelyen mellékelt gépkönyv segítségével- a 4. számú mérőpanelen lévő kapacitások és induktivitások értékének megmérését! 3.2. Kapcsoljon a 4. számú mérőpanelre ±15 V-os tápfeszültséget. A meghajtó generátoron 159 Hz-es frekvenciát állítson be és kösse rá a mérőpanel Generátor feliratú pontjára. (Az alkalmazott elektronika csak ezen a frekvencián biztosítja a 90 o -os fázistolást.) Ellenőrizzük az összeállítandó impedanciamérő modell elektronikájának egységeit! 1. Az elvi kapcsolási rajzon (6. ábra) található G helyére R19 és RN helyére R20 10 kohm-os ellenállásokat iktasson be. A generátor feszültségét 0 0 V-ról növelve (ma = 3 Veff), oszcilloszkóppal ellenőrizzük, hogy ki1 ellenfázisban "követi-e" a bemeneti feszültséget (A1 működik-e). 2. Ellenőrizze, hogy az A2 erősítő kimeneti feszültsége ki2 90 o -ot késik a bemeneti feszültséghez 0-hoz képest! 3. Vizsgálja meg, hogy az A3 erősítő kimenti 50%-os kitöltési tényezőjű négyszögjelen a bementi feszültséggel azonos fázisban van-e. 17
4. Vizsgálja meg, hogy az A4 erősítő kimenti 50%-os kitöltési tényezőjű négyszögjelen a bementi feszültséghez képest 90 o -ot késik-e. Amennyiben a jel nem 50%-os kitöltésű tényezőjű ellenőrizze a bemeneti jelszintet. (A fázistolást megvalósító áramkör érzékeny a bemeneti jel szintjére.) 5. Ellenőrizze a fázisdetektorok működését! Az F1 F4 kimeneti jelét vizsgálja meg oszcilloszkóppal Az alábbi ábrákhoz hasonló ábrákat kell kapnia. F3 a generátor jelével F1 kimeneti jele F4 a generátor jelével F2 kimeneti jele A továbbiakban a generátor frekvenciája 159 Hz legyen és a jel amplitúdóját úgy állítsa be, hogy az adott kapcsolás esetén az A4-es erősítő kimeneti jele 50%-os kitöltésű tényezőjű legyen és az A1 és A2 erősítők kimeneti jelét ne limitálja a tápfeszültség értéke. 3.3. Áramkör-modellünkön állítsunk össze kapacitásmérő kapcsolást a 6. ábra szerint. G helyére csatlakoztassa a C1 -es kondenzátort. Mérje meg az A1-es erősítő kimeneti feszültségét. Számolja ki a mért eredményekből C1 értékét. Mérje meg a fázisdetektorok (F3, F4 és F1, F2) kimeneti feszültségeit az R22, C7 aluláteresztő szűrő alkalmazásával (B, A és 2, 1). A képletek segítségével számítsa ki a C1 és veszteségének értékét. 18
A RN R C B * o N C Ismételje meg az előző mérést úgy, hogy a C1-el párhuzamosan kapcsolja az R9-es ellenállást (ezzel növelve a C1 veszteségét). 2 1 R N * G Az értékek: RN (R20) = 10 kohm CN (C0) = 100 nf R0 = 10 kohm a., A mérendő impedancia helyére kapcsoljunk "jó minőségű" (elhanyagolható veszteségű) kondenzátorokat. Ajánlott mérendő kapacitás értékek: 10 nf, 33 nf, 100 nf. - Mérés közben oszcilloszkóppal figyeljük a fázisdetektorok kimeneti jelét! Egy kapacitás mérésekor léptékhelyesen rajzoljuk le az oszcilloszkópábrákat! b., "Rontsuk el" különböző ellenállásokkal a mérendő kondenzátorokat! - Igazoljuk, hogy G nem befolyásolja a mutatott C értéket pl. a következő kombinációkkal: C = 47 nf és G = 0 S C = 47 nf és G = 10 µs (R = 100 kohm) C = 47 nf és G = 33 µs (R = 33 kohm)... stb. - Mérjük meg G értékeit 1 és 2 mérésével! Igazoljuk a linearitást! - A fenti mérések közben figyeljük a mérésben résztvevő fázisdetektorok kimeneti jelformáját, rajzoljuk le léptékhelyesen azokat. A jelformák alapján (lehetőleg mindegyik jelalak ábra-sorozat után) rajzoljuk meg az illető impedancia fazor-ábráját! 3.4. Áramkör modellünkön állítsunk össze induktivitásmérő kapcsolást. Az értékek: RN (R21) = 1 kohm, CN (C0) = 100 nf, R0 = 10 kohm, f = 159 Hz. a., Mérjük meg a rendelkezésre álló induktív alkatrészek L - R értékét! B 1 * L R * R * C A N o N b., Oszcilloszkóppal vizsgáljuk meg a fázisdetektorok kimeneti jeleit (L méréskor F3 és F4-ét, R méréskor F1 és F2-ét). Rajzoljuk le a jelalakokat egy kiválasztott mérendő impedanciára és ezek alapján rajzoljuk fel az impedancia fazor-ábráját! 2 1 1 R N * R 19