Лабораторный стенд по измерениям. Постоянный ток

Продолжаем придумывать лабораторные работы по измерениям. Подготовил следующую лабораторную работу, третью по счету. На этот раз будем учиться подключать приборы и измерять параметры электрической цепи при постоянном токе.

Но сначала вернемся к предыдущим лабораторным. Ниже приведена фотография ранее упомянутого макета. Тут все предельно просто - 13 клемм с обозначениями. Коммутация сейчас выполняется вручную за панелью. Её не показываю, ибо сделано некрасиво. Собственно, все клеммы будут выглядеть таким образом.

Панель к лабораторной работе №1

Панель стенда для лабораторной работы №2

В начале занятия я рассказываю о том, что существует несколько типов приборов - электромагнитные, магнитоэлектрические, цифровые. Рассказываю об их области применения и способах подключения. В частности отмечаю, что на постоянном токе все приборы показывают одну и ту же величину.

Чтобы задаться какой-то целью для измерений, поставим перед собой задачу снятия вольт-амперной характеристики реального источника э.д.с. с неизвестными параметрами, а также зададимся вопросом - при каком значении сопротивления нагрузки мощность, отдаваемая от источника будет максимальной. Точнее, вопрос о максимальной мощности должен быть рассмотрен на более ранних курсах, мы просто освежаем в памяти, что мощность будет максимальной при равенстве внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки.

Схема проведения измерений

В этой лабораторной работе необходимо правильно подключить и записать показания следующих измерительных приборов:

• (А1) Амперметр электромагнитной системы.
• (V1) Вольтметр электромагнитной системы.
• (V2) Вольтметр магнитоэлектрической системы.
• (V3) Вольтметр магнитоэлектрической системы с выпрямителем.
• (А2) Цифровой мультиметр (измеряет ток).
• (V4) Цифровой мультиметр (измеряет напряжение).
• (W) Цифровой ваттметр.

В качестве задания студенту на передней панели стенда представлен реальный источник э.д.с. Значение э.д.с. может задаваться произвольно и принимать значения 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 В. Значение внутреннего сопротивления также нам неизвестно и может быть задано равным 200 или 300 Ом. Таким образом, возможно существование 16 различных вариантов этой лабораторной работы. На их кодирование уйдет еще 4 бита в задании (то есть для всего стенда уже получается 12 бит).

Задача студента:

• Правильно подключить измерительные приборы.
• Изменяя сопротивление нагрузки (отдельный переменный резистор, значения сопротивления изменяются от 0 до 1500 Ом), заполнить таблицу с показаниями всех приборов. Убедиться, что все показания одинаковы независимо от системы прибора.
• Построить графики изменения напряжения, тока и мощности в зависимости от величины сопротивления нагрузки.
• Построить вольт-амперную характеристику реального источника э.д.с.
• По вольт-амперной характеристике и графику мощности определить значение э.д.с. и внутреннего сопротивления.

Преподаватель контролирует полученные значения э.д.с. и сопротивления (они будут зашифрованы в номере варианта), а также то, что не горят лампы аварийных режимов над приборами. За каждую горящую лампу - по рукам бить, с разбором полетов естественно.

Ниже на картинке приведен пример, как могут выглядеть графики. По ним определяется, что значение э.д.с. было равно E = 16 В, r = 200 Ом.

Пример результатов измерений

Измерительная головка MU-52

Это все в идеале так должно получаться. Теперь возвращаемся с небес на землю. Самый больной вопрос в этой лабораторной - подключение приборов, особенно ваттметра. С ним полный завал обычно бывает. Поэтому приборы должны быть во-первых, несгораемыми, а во-вторых - с индикацией аварийных режимов.

Изучая рынок измерительных приборов, отметил их «разношерстность». То есть приборы различных систем просто-напросто имеют различный вид и форму, что для нас несколько неудобно. Далее, ни один из приборов не защищен от перегрузок и неправильной полярности сигнала. При этом приборы различных систем обязательно должны быть аналоговыми, потому что студент должен увидеть различия как в маркировке, так и в шкалах этих приборов.

Поэтому было принято решение в качестве указательного элемента использовать измерительную головку китайского производства MU-52, к которой подключается самодельное устройство, имитирующее работу любого вышеназванного прибора, причем с защитами и функцией индикации аварийного режима. Сама головка выглядит стандартно и прилично, а самодельное устройство реализует защитные функции, контролируя перегрузки, повреждения шунтов токовых цепей и неправильную полярность подключения. Подозреваю, что по поводу разработки этого устройства придется писать отдельную статью, ибо защита совсем нетривиальна.

Ваттметр, по моим соображениям, проще будет сделать цифровой и своими руками. Это решит проблему с отрицательной частью шкалы, да и по сути все устройство является цифровым. Тем более, что аналоговые ваттметры сейчас запредельно дороги и защиты вообще никакой. Токовые цепи летят на ура. В лаборатории сейчас стоят четыре ваттметра, у всех повреждена токовая катушка. Причем повреждена была чуть ли не в первую неделю работы.

Также не следует забывать, что и источник э.д.с. можно замкнуть накоротко. Вот тут возникает вопрос. Дело в том, что в этой лабораторной работе для чистоты эксперимента замкнуть накоротко источник просто необходимо. Поэтому хотим мы этого или нет, лампочка «повреждение источника э.д.с.» в любом случае загорится. Но в этой лабораторной мы договоримся прощать студенту эту горящую лампочку.

Да, самое время поговорить про источники э.д.с. В принципе, их схемотехника и защита проработана на хорошем уровне. Просто найдем подходящую схему и адаптируем ее под наши цели. Управление, естественно, через микроконтроллер. Но обязательно надо отметить один нюанс - должна иметься возможность соединять источники последовательно. То есть каждый такой источник должен быть совершенно независимым и гальванически развязанным от других. Я так прикидываю, что трансформатор, питающий этот стенд будет просто шизофреническим по своей конструкции. Но, поживем - увидим.

Теперь про резисторы. Внутреннее сопротивление источника э.д.с. должно выдерживать режим короткого замыкания. Если учесть, что минимальное значение этого сопротивления 200 Ом, то его мощность получается вполне небольшой - 0,5 Вт.

Схема «переменного» резистора

Переменный же резистор на самом деле является позиционным. То есть ручка крутится с щелчками, переключая сопротивление с шагом 100 Ом. При этом на индикаторе (заштрихованная зона) отображается значение сопротивления. Из-за этого схемотехника устройства несколько усложнена. Придется использовать энкодер, микроконтроллер, который считает код с энкодера и выдаст на набор сопротивлений. Схема этого устройства представлена на рисунке.

Мощность сопротивлений надо подбирать исходя из максимального напряжения 311 вольт (пиковое напряжение в сети). По грубым оценкам, мощность получается просто запредельная. Так что тут проблему придется решать предохранителем. Простым самовосстанавливающимся предохранителем, без всякого контроля, поскольку обеспечение целостности переменных резисторов у нас в задачах не стоит.

Подведем итог. В общих чертах задачи этой лабораторной поставлены. Необходимые функциональные блоки подобраны. Схемотехнику блоков будем обсуждать когда будут описаны все лабораторные, чтобы не делать одну работу по многу раз. Скорее всего, функциональность блоков еще не раз поменяется.

Итак, замечания?

Разделы:

Астрономическое (6)

Всякое (39)

Грустное (1)

Институтское регулярное (42)

К защите (10)

Как в этом работать (2)

Картинки для зрителя (7)

О физике (10)

Путешествия (12)

Развитие сайта (11)

Облако меток: