Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи "Вимір потужностей двополюсника осцилографічним методом»

Дисципліна: "Основи метрологічних вимірювань"

 

МЕТОДИЧНІ   ВКАЗІВКИ  ЩОДО  ПРОВЕДЕННЯ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

 

"Вимір миттєвої,  активної,  реактивної і повної потужностей двополюсника осцилографічним методом»

 

Ціль  роботи: одержати практичні навички виміру потужностей осцилографічним методом.

 

Короткі теоретичні відомості

 

Осцилографи забезпечують можливість спостереження функціонального зв'язку між змінними величинами, одна з яких, як правило, є час. При вимірі гармонійної напруги зображення, що спостерігається на екрані осцилографа (осцилограма), несе інформацію про значення амплітуди і частоти (періоду) напруги і, якщо осцилограф двопроменевий, про різницю фаз між двома гармонійними напругами. Осцилографічні виміри можна виконувати в широкому діапазоні частот, в електричних колах різного призначення (промислових, радіотехнічних, комп'ютерних тощо), у лабораторних і цехових умовах. Усі ці переваги в значній мірі викупають основний недолік осцилографічних вимірів - невисоку точність.

Миттєва потужність двополюсника p(t)  є добутком миттєвих значень струму і напруги (див. рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Часові діаграми електричних величин

 

У програмі Multisim є спеціальний компонент - помножувач, що дозволяє одержати на виході сигнал, який дорівнює добутку двох вхідних потенціалів. Подавши на входи цього компонента потенціали, пропорційні струму і напрузі (див. рисунок 2), і приєднавши його вихід до осцилографа, можна одержати осцилограму миттєвої потужності (див. рисунок 3).

 

Рисунок 2 – Схема виміру потужності двополюсника

 

Рисунок  3 - Осцилограма миттєвої потужності двополюсника

 

Датчики струму і напруги, реалізовані на базі керованих джерел, забезпечують гальванічну розв'язку на вході помножника. Струм і напруга на помножувач подаються через залежні джерела: джерело напруги, кероване струмом, і джерело напруги, кероване напругою, відповідно. 

Крім того, зменшення коефіцієнта передачі датчика з одиниці, як показано на рисунку 2, до менших меж (наприклад, до 0,001), дозволяє зменшити величину шунта - додаткового послідовного опору, що вводиться у вимірюване коло з 1 Ом до 0,001 Ом. Це приводить до зменшення похибки вимірів. Щоб компенсувати зменшення сигналу датчика струму, коефіцієнт множення k в помножувачі, відповідно підвищується. Наприклад, при опорі 0,001 Ом цей коефіцієнт множення дорівнює 1000.

Миттєва потужність, осцилограма якої представлена на рисунку 2, обчислюється за формулою (1):

 

                                         (1)

 

З (1) видно, що на постійну складову, що дорівнює активній потужності двополюсника Р, накладена гармонійна складова з амплітудою, що дорівнює повній потужності S (див. рисунок 3). Тому мінімальне і максимальне значення миттєвої потужності зв'язані з Р и S виразами:

 

   ,                                                     (2)

 

.                                                    (3)

 

Виміривши максимальне і мінімальне значення миттєвої потужності, можна обчислити активну і повну потужності за формулами (4) та (5):

 

  ,                                                 (4)

 

 .                                                (5)

 

Знаючи активну Р і повну потужності  S, можна визначити і реактивну потужність Q в електричному колі:

 

.                                   (6)

 

У даній методиці вимірів за допомогою осцилографа потужності S, P, Q одержують побічно. Однак, у даному випадку, величина активної потужності може бути обмірювана безпосередньо за допомогою вольтметра постійної напруги, що підключається на вихід помножувача (рисунок 1). При цьому один вольт на вольтметрі відповідає одному вату.

В іншому, розглянута схема цілком працездатна і по своїх характеристиках відповідає реальному ватметру, що використовується для вимірів активної потужності в колах перемінного струму.

По осцилограмі миттєвої потужності можна визначити і фазовий кут φ, відповідний часовому зрушенню ΔT між двома найближчими перетинаннями абсциси  осцилограми (див. рисунок 3):

   

.                                                      (7)

 

Порядок виконання лабораторної роботи

 

У програмі Multisim зберіть схему згідно рисунка 4. Установіть параметри  елементів схеми відповідно до варіанта завдання (див. таблицю 1).

 

Таблиця 1 – Варіанти завдання

Параметри схеми	Варіант 1	Варіант 2	Варіант 3	Варіант 4
Опір резистора R1, Ом	97	91	87	74
Індуктивність котушки L1, Гн	0,48	0,38	0,32	0,42
ЕРС джерела Е, В  (f = 50 Гц)	26	28	30	32

 

Включіть схему і виконайте вимірювання сили  струму І  у колі (зробіть запис у таблицю 3).

Розрахуйте активну потужність P за формулою (8):

 

.                                                        (8)

 

Виконайте вимірювання  постійної напруги (активну потужність  двополюсника Р) за допомогою вольтметра.

Рисунок 4 – Схема виміру потужностей двополюсника

По осцилограмі миттєвої потужності виконайте вимірювання  максимального p_max   і мінімального p_min значення миттєвої потужності за допомогою курсорів (див. рисунок  5).

 

 

Рисунок 5 – Вимір максимального і мінімального значень миттєвої потужності

 

Обчисліть активну Р и повну потужності S двополюсника за формулами (4) і  (5).

Визначте  реактивну потужність Q  за  формулою (6).

Результати вимірів і обчислень занесіть у таблицю 3.

Порівняйте результати розрахунків активної потужності Р.

 

Таблиця 3 – Результати вимірів і обчислень

Сила струму І, А	pmax	pmin	Активна потужність Р, Вт			Реактивна потужність Q, вар	Повна потужність S, ВА
			розрахунок по (8)	по вольтметру	по осцилографу
0,188	8,384	-2,054		3,166

 

 

По осцилограмі миттєвої потужності (див. рисунок 5) визначте  часовий інтервал ΔТ, період Т  і  розрахуйте фазове зрушення φ схеми за формулою (7).

Використовуючи дані таблиці 3, розрахуйте фазове зрушення φ схеми за формулою (9)

.                                                          (9)

 

Результати вимірів і розрахунків занесіть у таблицю 4.

 

Таблиця 3 – Результати вимірів і обчислень фазового зрушення φ

Часовий інтервал ΔТ, мс	Період Т, мс	Фазове зрушення φ, ел.град.
		по осцилографу (7)	обчислення по (9)
3,030	20

 

Порівняйте результати розрахунків фазового кута φ.

 

 

 

Рисунок 5 – Осцилограма миттєвої потужності

 

 

Зміст звіту з лабораторної роботи

 

    1. Назва і мета лабораторної роботи.

    2. Схема виміру потужностей.

    3. Таблиці вимірів і обчислень параметрів. Формули розрахунків.

    4. Часові діаграми ватметра.

    5. Короткі висновки про виконану роботу.

    6. Короткі відповіді на контрольні питання.

 

 

Контрольні питання

 

1. Які групи множних пристроїв  застосовуються у ватметрах?
2. Які вимірювальні системи використовують у ватметрах?

 

 

Література

 

1.                Гуржій А.М.,  Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні  вимірювання / А.М. Гуржій,  Н.І. Поворознюк. – Київ: Навчальна  книга,  2002.
2.               Муратов В.Г. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади  навчальний посібник. - вид. 2-е, доп. / В.Г Муратов. - К.: Освіта України, 2016 – (Рек. МОН України).