Laborationshandledning för mätteknik

Transkript

1 Laborationshandledning för mätteknik - digitalteknik och konstruktion TNE094 LABORATION 1 Laborant: E-post: Kommentarer från lärare: Institutionen för Teknik och Naturvetenskap Campus Norrköping, augusti 2013 Ole Pedersen 1

2 Innehållsförteckning 1. Bakgrund och syfte med laborativa moment i mätteknik 3 2. Laborationsuppgifter till första laborationen Förbindelsetest på kopplingsplatta Mätning av elektrisk resistans Mätning av elektrisk ström och spänning (likriktad) Beräkning av elektrisk effekt Mätningar på sinusformad växelspänning Förberedelseuppgifter till första laborationen 12 Appendix I. Lite mer om kopplingsplattan 13 Appendix II. Formelsamling 16 2

3 1. Bakgrund och syfte med laborativa moment i mätteknik På många ingenjörs- och civilingenjörsprogram har det tidigare funnits en kurs i grundläggande mätteknik eller liknande. Syftet har varit att studenterna ska bli förtrogna med de vanligaste mätinstrumenten och att få viss vana att hantera dessa. I många praktiska situationer är kunskaper i mätteknik viktigt. I dag har kurserna i grundläggande mätteknik utgått ur programmen och i stället har vi infört s.k. mätteknikspår i vissa kurser med laborativa moment, t.ex. i kursen digitalteknik och konstruktion, TNE094. Syftet med mätteknikspåren är att i viss mån ersätta de förlorade kursmomenten i mätteknik och att ge dej en nödvändig plattform att stå på när du arbetar med laborativa moment i utbildningen. Utan kunskaper i mätteknik är det nämligen väldigt lätt att mäta fel, att avläsa mätintrumenten felaktigt och att redovisa felaktiga värden. De två inledande mätlaborationerna som du ska göra i kursen digitalteknik, har alltså som syfte att underlätta för dej när du sätter igång med att titta närmare på digitala kretsar i de övriga laborationerna i denna kurs och även framöver i högre årskurs. 3

4 2. Laborationsuppgifter till första laborationen Här följer de laborationsuppgifter som du ska utföra under laboration 1. Börja med att gå igenom förberedelseuppgifterna under avsnitt 2.6. Tänk på att redovisa mätningarna på ett tydligt och klart sätt. En bra utgångspunkt är att tänka sig att dina resultat ska läsas av någon annan som har din bakgrund och som ogärna vill missförstå eller misstolka vad du redovisat. 2.1 Förbindelsetest på kopplingsplatta Den första mätuppgiften är relativt enkel och handlar om att testa en s.k. kopplingsplatta (se figur 5). Kopplingsplattan används flitigt när man vill koppla upp ett antal digitala kretsar eller undersöka om en elektronikkonstruktion fungerar som man tänkt sig. Fördelen med en kopplingsplatta är att det går snabbt att koppla upp, ändra kopplingarna och att riva hela konstruktionen. Dessa dubbelrader är avsedda för energiförsörjningen och är förbundna horisontellt. Olika komponenter sticks ner i hålen, som är förbundna vertikalt i bilden. Figur 5. Kopplingsplatta för elektronikexperiment. För att kunna ansluta olika komponenter med varandra finns det speciella askar med olika längd på kopplingstråd, tillgängliga på labplatsen (se figur 6). Figur 6. Ask med kopplingstråd för plattorna. 4

5 Uppgift 1: Gör dej bekant med kopplingsplattan genom att kontrollera vilka hål som är förbundna med varandra. Testa både hålbilden för komponenter och de dubbla raderna avsedda för energiförsörjningen. Använd en multimeter omkopplad för förbindelsetest eller resistansmätning. Använd kopplingstråd och lämplig anslutning till multimetern. Ingen särskild redovisning behövs här. 2.2 Mätning av elektrisk resistans Att mäta elektrisk resistans i en krets eller över några komponenter är mycket vanligt. Det ger information om huruvida kretsen är hel, om det är kortslutning någonstans eller om det helt enkelt saknas elektrisk kontakt mellan två punkter. Uppgift 2: Koppla upp tre resistorer enligt schemat nedan, på kopplingsplattan. Välj R1 = 470, R2 = 1800 och R3 = Mät resistansen mellan de två vänstra punkterna i schemat med hjälp av en multimeter inställd för resistansmätning. R1 R2 R3 Uppgift 3: Kortslut resistorn R2 och gör en ny mätning av resistansen. 5

6 Uppgift 4: På vilket sätt inverkar resistansen i dina mätsladdar på ditt mätresultat? Kommentar: 2.3 Mätning av elektrisk ström och spänning (likriktad) De flesta mer avancerade multimetrar kan mäta både spänning och ström. Om du ska mäta båda storheterna samtidigt är det troligt att du måste använda två multimetrar. Den ena inställd för spänningsmätning och den andra inställd för strömmätning. Uppgift 5: Koppla upp resistorerna enligt schemat, på kopplingsplattan (riv tidigare uppkoppling). Lådan märkt U motsvarar nätaggregatet (energiförsörjningen). R1 R2 R3 U Använd R1 = 470, R2 = 1800 och R3 = Ställ in matningsspänningen U = 5 V. Mät i turordning spänningen över resistorerna R1, R2 och R3 (totalt tre mätningar). 6

7 Uppgift 6: Mät strömmen som passerar igenom resistorerna R1 och R2 (en mätning) och strömmen som passerar genom resistorn R3 (en mätning). För att göra det här måste du dels ställa om multimetern till strömmätning, men också bryta upp din koppling på lämpligt sätt så att mätinstrumentet ligger i serie med mätobjekten. Uppgift 7: Vilken principiell skillnad är det mellan en multimeter som mäter spänning och en som mäter ström. Redogör för alla viktiga skillnader du kan komma på. 2.4 Beräkning av elektrisk effekt Nästa moment gäller den elektriska effekten i kopplingen från uppgift 5. Du behöver inte göra fler mätningar. Du bör ha alla mätdata från tidigare uppgifter. Uppgift 8: Beräkna (på lämpligt sätt) den elektriska effekten över resistorerna R1, R2 och R3 när dessa är uppkopplade enligt uppgift 5 och matningsspänningen är 5 V. Resulat: 7

8 Uppgift 9: Hur hög effektutveckling klarar de resistorer du har i din uppkoppling. Sök data via och sökordet resistorer eller motstånd, alternativt titta i Elfa-katalogen som bör finnas i lab.lokalen. 2.5 Mätningar på sinusformad växelspänning I det här avsnittet ska du använda en signalgenerator och ett oscilloskop för att studera elektriska spänningar som varierar fort och som har en sinus-kurvform. En multimeter skulle i sammanhanget inte ge så mycket intressant information, eftersom en multimeter bara ger ett värde på displayen. Värdet kan representera ett medelvärde eller ett effektivvärde eller någon annan storhet, uppmätt under en period av mätsignalen. Oscilloskopet däremot, ger en helhetsbild av mätsignalen. Avancerade oscilloskop kan redovisa först och främst kurvformen men också medelvärden, effektivvärden och allt det som en multimeter klarar av att mäta. Uppgift 10: Använd signalgeneratorn på lab.platsen och anslut utgången till ett oscilloskop. När det är gjort ställ in följande testsignal på signalgeneratorn: sinuskurvform, amplitud 3 V, offset 0 V, frekvens 300 Hz. Studera bilden på oscilloskopet och verifiera genom att mäta periodtiden, att signalen har frekvensen 300 Hz. 8

9 Uppgift 11: Du ska nu undersöka hur olika multimetrar visar värdet för en växelriktad spänning (växelspänning). Det är viktigt att veta vad instrumentet mäter och vilka möjligheter som finns att tillgå. Anslut en Fluke 70/Fluke 83 samt en ABB Metrawatt multimeter till signalgeneratorns utgång. Du behöver ett s.k. T-stycke för att kunna ha både oscilloskopet och multimetrarna anslutna. Använd koaxialkabel med s.k. banansladd i ena änden för att ansluta den första multimetern, därefter vanliga sladdar för att ansluta den andra multimetern. Ställ in båda multimetrarna för visning av effektivvärde. Effektivvärdet visas om inställningen pekar på en symbol som liknar den i figur 7. Figur 7. Pilen pekar på inställning för effektivvärde. Något olika för de två multimetrarna. Gör en avläsning av multimetrarnas display och verifiera via formelsamlingen att värdet är korrekt. 9

10 Uppgift 12: Med samma uppkoppling som tidigare ska du nu mäta likriktat medelvärde. Ställ in båda multimetrarna på en symbol som liknar den i figur 8. Figur 8. Pilen pekar på inställning för likriktat medelvärde. Något olika för de två multimetrarna. OBSERVERA att Metrawatt multimetern har ytterligare en inställningsmöjlighet som kan visa sant effektivvärde. Använd inte den inställningen i denna uppgift (se figur 9). Figur 9. Metrawatt inställd för sant effektivvärde. Används ej i denna uppgift. Gör en avläsning av multimetrarnas display och verifiera via formelsamlingen att värdet för likriktat medelvärde är korrekt. 10

11 Uppgift 13: Ställ nu in testsignalen så att du har 1 V offset. Det betyder att sinuskurvformen på oscilloskopet ska se ut ungefär som i figur Figur 10. Sinuskurvform med amplituden 1 V och offset 1V. x 10-3 Efter inställning av testsignalen ska du åter mäta effektivvärdet med Fluke- och ABBinstrumentet. Låt inställningen av instrumenten vara densamma som i föregående uppgift. Uppgift 14 (sista för lab.1): Ändra inställningen på ABB-instrumentet (se figur 9) så att den nu visar sant effektivvärde och gör om mätningen. Visa också med formel att resultatet blir som förväntat. 11

12 2.6 Förberedelseuppgifter till första laborationen Förberedelseuppgift 1: Beräkna strömmen genom R1 och spänningen över R2 om resistorerna är inkopplade enligt schemat nedan. R1 = 500 U = 12 V R2 = 700 Förberedelseuppgift 2: Vilken effekt utvecklas i resistorn R2 om resistorerna har värdena R1 = 1500 R2 = 1000 och R3 = 500. R1 R2 U = 6 V R3 Förberedelseuppgift 3: Vad menas med en resistors nominella värde och vad finns det för ytterligare värde en resistor kan ha? 12

13 Appendix I. Lite mer om kopplingsplattan. Här följer några bilder som visar hur kopplingsplattan fungerar och vad du bör tänka på när du använder den. Vertikal anslutning. Ledaren är ansluten till samma punkt elektriskt. Vertikal anslutning. Ledaren är ej ansluten till samma punkt elektriskt. Horisontell anslutning. Ledaren är ej ansluten till samma punkt elektriskt. 13

14 Anslutning av energiförsörjning (ena ledaren) från banankontakt till de dubbla raderna. Korrekt anslutning av ledare i banankontakt. Observera att plasten som isolerar ledaren inte får klämmas in i banankontakten. Felaktig anslutning av ledare med isolerplasten emellan. Ingen kontakt!! 14

15 Två resistorer i serie. Gemensam anslutning via kolumn 25. Två resistorer som inte ligger i serie eftersom kolumn 20 och 21 inte har elektrisk kontakt. 15

16 Appendix II. Formelsamling Ohms lag: Effekt lagen: U R I P U I R I 2 U R 2 Medelvärde U 1 T T 0 u( t) dt Likriktat medelvärde U 1 T T 0 u( t) dt Effektivvärde U eff 1 T T 0 ( u( t)) 2 dt Sant effektivvärde Samma formel som för effektivvärde om u(t) beskriver mätsignalen med offset. alternativt Sant effektivvärde 2 2 Ueff, ac Uoffset där U eff, ac= effektivvärdet av endast den växlande delen (ac-delen). U = värdet på spänningens offset. offset Värden för sinuskurvform U eff Uˆ där Uˆ = toppvärde eller amplitud. U Uˆ 16