Základní měření s výchylkovými multimetry Laboratorní cvičení č. 1
Cíle cvičení: • seznámit se s laboratorním zdrojem stejnosměrných napětí Diametral P230R51D, • seznámit se s výchylkovým (ručkovým) multimetrem C.A.406, • zapojit multimetr jako voltmetr a změřit stejnosměrné napětí 10 V na několika měřicích rozsazích, • provést měření elektrického proudu v závislosti na odporu s využitím odporové dekády, • provést vyhodnocení měření podle níže uvedených pokynů. Použité přístroje a pomůcky: • laboratorní zdroj stejnosměrných napětí Diametral P230R51D (1 ks), • výchylkový multimetr C.A.406 (2 ks), • odporová dekáda (1 ks), propojovací vodiče.
Úloha č. 1. Seznámení se s laboratorním zdrojem Diametral (5 minut) 1. Zapněte přístroj kolébkovým vypínačem vpravo nahoře, viz obr.1.1 níže v obrazové příloze. 2. Na levém regulovatelném výstupu zdroje si vyzkoušejte nastavení napětí 0-30 V; uvědomte si funkci proudové pojistky (bezpečnost) a bílého tlačítka u každého zdroje spolu s kontrolní červenou LED diodou (připojení/odpojení napětí na výstupní svorky); vyzkoušejte si možnost jemného doladění napětí.
Úloha č. 2. Seznámení se s výchylkovým multimetrem C.A.406 (15 minut) 1. Zjistěte, jaké veličiny multimetr měří a kam se připojují přívodní vodiče, viz obr.2.1 níže v obrazové příloze. 2. Vyzkoušejte si přepínání měřicích rozsahů M (maximálních měřitelných hodnot veličin). 3. Správně pochopte rovnici V K . , kde V je hodnota měřené veličiny, K=M/αmax je konstanta přístroje pro daný měřicí rozsah M a maximální výchylku ručky αmax v dílcích a α je aktuální výchylka ručky. 4. Porozumějte hlavním symbolům a hodnotám, uvedeným na štítku multimetru, viz obr.2.2 v obrazové příloze.
Úloha č. 3. Základní měření stejnosměrného napětí (20 minut) 1. Na levém regulovatelném výstupu napájecího zdroje (svorky vlevo) nastavte napětí UZ=10 V, potenciometr proudové pojistky nastavte do levé úvratě (nejmenší proud pro automatické odpojení zdroje); bílé tlačítko uveďte do režimu, kdy nesvítí červená dioda (napětí není připojeno na výstupní svorky). 2. Multimetr C.A.406 přepněte do režimu měření stejnosměrných napětí a nastavte měřicí rozsah MU=1000 V. 3. Pomocí propojovacích vodičů připojte voltmetr k napájecímu zdroji podle schématu; IV + z pedagogických důvodů je vhodné barevně odlišit svorky plus (červený vodič) a minus UZ V UV (modrý nebo zelený vodič). zdroj 4. Pomocí bílého tlačítka zapněte levý zdroj (rozsvítí se červená kontrolní dioda). 5. Přepínačem snižujte měřicí rozsah voltmetru postupně z 1000 V na 300 V, 100 V, 30 V a 10 V a pozorujte výchylku (nižší rozsah než 10 V nenastavujte, došlo by k přetížení přístroje s možností jeho poškození!). Na rozsahu 10 V jemně dostavte napětí na zdroji co nejpřesněji na 10 V podle voltmetru. 6. Nyní postupně nastavujte znovu měřicí rozsahy 300 V, 100 V, 30 V a 10 V a pro každý z nich vypočtěte konstantu přístroje, odečtěte co nejpřesněji výchylku ručky, vypočtěte měřené napětí, celkový vnitřní odpor voltmetru RCV a podle Ohmova zákona proud voltmetrem IV (známé napětí zdroje UV a celkový odpor RCV), viz Tab. 1. Celkový vnitřní odpor určete podle rovnice RCV M U .RV , kde MU [V] je přepínačem nastavený měřicí rozsah voltmetru a RV [Ω.V-1] je vnitřní odpor voltmetru, uvedený na štítku multimetru. Tab. 1. Základní měření stejnosměrného napětí. Měřicí rozsah MU [V] Konstanta KV [V.d-1] Výchylka ručky α [d=dílky] Vypočtené napětí UV [V] Celkový vnitřní odpor voltmetru RCV [Ω] Proud voltmetrem (spotřeba) IV [µA]
300
Napětí zdroje UZ=10 V. 100
30
RV= ………… Ω.V-1 10
Úloha č. 4. Měření závislosti proudu na odporu s využitím odporové dekády (35 minut) 1. Na levém výstupu napájecího zdroje nastavte napětí 10 V, potenciometr proudové pojistky nastavte do levé úvratě a bílé tlačítko nastavte tak, aby červená dioda nesvítila (napětí není přivedeno na výstupní svorky). 2. Jeden ze dvou multimetrů přepněte pro měření stejnosměrného napětí a nastavte měřicí rozsah 10 V. Voltmetr poté připojte ke zdroji podobně jako v úloze 3, viz schéma. IM mA 3. Ke zdroji dále připojte druhý multimetr podle schématu, nastavený na měření + RZ proudu (ampérmetr); měřicí ampérmetru rozsah nastavte na hodnotu MI=1A. UZ V 4. Do série s ampérmetrem zapojte odporovou dekádu, na níž nastavte hodnotu dekáda zdroj odporu RZ=1 kΩ. 5. Po kontrole učitelem zapněte napětí levého zdroje bílým tlačítkem (červená kontrolní dioda svítí). 6. Nyní snižte měřicí rozsah ampérmetru na hodnotu MI =10 mA a pomocí konstanty přístroje KI a výchylky ručky α vypočtěte měřený proud IM na daném rozsahu. Měření opakujte pro hodnoty odporů podle tabulky Tab.2. Pozor, abyste omylem nenastavili odpor 0 Ω, obvodem by protekl příliš velký proud. 7. Podle Tab.2 z naměřených hodnot proudů IM a proudů teoreticky vypočtených IT (Ohmův zákon) vypočtěte absolutní ΔI a relativní δI chyby měření na daném rozsahu ampérmetru MI =10 mA. Tab. 2. Měření závislosti proudu na odporu; napětí zdroje UZ=10 V; měřicí rozsah MI=10 mA. RZ [kΩ] KI [mA.d-1] α [d=dílky] IM [mA] IT [mA] ΔI [µA] δI [%]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Poznámky k určení jednotlivých veličin v Tab.2: IM= KI . α, IT=UZ/RZ, ΔI= IT – IM, δI= 100.ΔI/ IT. 8. Na milimetrový papír vyneste ručně (ne na počítači) závislost proudu IM na hodnotě odporu RZ, tedy IM =f(RZ). Jednotlivé body v grafech není třeba spojovat plynulou čarou nebo jen tence a čárkovaně jako určitý trend. Úkol: uveďte, jak lze vypočítat odpor ampérmetru na základě údajů z tabulky Tab.2.
Vyhodnocení měření a závěr Ve vašich sešitech, které nahrazují protokol o měření, budou první (titulní) strana vyhrazena názvu laboratorní úlohy velkými písmeny, datu měření a jménu toho, kdo měřil. Dále si do sešitu vlepte strany 1 a 2 tohoto zadání (nejlépe mírně oříznuté) a realizovaný graf (ručně na milimetrový papír, ne pomocí počítače). Tabulky Tab.1 a Tab.2 během měření správně vyplňte. V sešitě dále mohou být zápisky a poznámky, jsou-li potřeba a povinný závěr, v němž vyhodnoťte měření č. 3 a 4. Zejména se vyjádřete k těmto bodům: • jak určíte hodnotu měřeného napětí u vícerozsahového voltmetru s využitím konstanty a výchylky? • Jak lze vypočítat celkový vnitřní odpor vícerozsahového voltmetru na daném měřicím rozsahu? • Jak souvisí proud voltmetrem v úloze č. 3 s nastaveným rozsahem voltmetru? • Čím je možné nahradit teoreticky správnou hodnotu měřené veličiny pro výpočty chyb, není-li ji možné vypočítat přesně? • Na čem závisí přesnost odečtení výchylky multimetru? • Jak se do obvodu zapojují voltmetr a ampérmetr? Poznámka: neceločíselné vypočtené údaje zaokrouhlete vždy nejméně na 3 desetinná místa.
Níže v textu jsou uvedeny obrázky použitých měřidel a pomůcek (dekád) spolu s grafem, ukazujícím nutné náležitosti, který by měl každý graf obsahovat (stručný a výstižný název, veličiny a jednotky spolu s měřítky na obou osách.
Obrazová příloha k jednotlivým úlohám Úloha č. 1.
Jemné dostavení napětí
Hlavní vypínač
Proudová pojistka
Nastavení napětí
Zapnutí/vypnutí napětí na výstupní svorky
Obr.1.1. Laboratorní zdroj stejnosměrných napětí Diametral P230R51D. Hlavní zásada při práci se zdrojem: Než zapnete bílé tlačítko, které připojí napětí na výstupní svorky, vždy se přesvědčte, že jste správně nastavili velikost napětí a proudovou pojistku (pro jistotu zcela vlevo).
Úloha č. 2.
Více stupnic pro jednotlivé rozsahy
Přepínač měřené veličiny a jejího rozsahu
Obr.2.1. Výchylkový (ručkový) multimetr C.A. 406 firmy Chauvin Arnoux. Hlavní zásada při práci s mutlimetrem: Než připojíte multimetr do obvodu, vždy se ujistěte, zda jste otočným přepínačem nastavili správnou měřenou veličinu (napětí, proud, odpor) a dostatečně vysoký měřicí rozsah (nejlépe zpočátku ten nejvyšší).
Obr.2.2. Detaily přepínače měřených veličin (vlevo) a štítku multimetru s měřicími stupnicemi.
Úloha č. 3.
Nezapoměňte! Než připojíte multimetr ke zdroji, vždy se ujistěte, že jste multimetr nastavili přepínačem na měření stejnosměrných napětí (voltmetr) s dostatečně vysokým rozsahem (zpočátku nejlépe 1000 V). Voltmetr se do měřeného obvodu zapojuje paralelně s prvkem, jehož napětí měříme. Obr.3.1. Měření napětí zdroje voltmetrem.
Úloha č. 4.
Obr.4.1. Měření proudu ampérmetrem (multimetr vpravo) s využitím odporové dekády.
Obr.4.2. Detail ampérmetru s nastaveným rozsahem 10 mA. Nezapoměňte! Ampérmetr se do měřeného obvodu zapojuje do série s prvkem, jehož proud měříme.
Obr.4.3. Alternativní nová RCL dekáda (maximální proud omezen na hodnotu 100 mA).
Vzor grafické závislosti Závislost měřeného proudu zátěží na odporu zátěže IM [mA]
RZ [kΩ]
