24

Вольтметр PV1 з однополюсним перемикачем SA1 використовується для діючих напруг на вході 1-1′ і виході 2-2′ електричного фільтра. Електронний осцилограф PS1, на входи Y і X якого подані ці напруги , дозволяє на його екрані спостерігати фігури Лісажу , які відповідають різним величинам коефіцієнта фази . До виходу електричного фільтра приєднаний магазин опорів , яким можна встановлювати величину навантаження Z_CT.

Проведення досліду

1.Познайомитись з приладами, апаратами й іншим обладнанням експериментальної установки, записати в протокол випробування їх технічні характеристики.

2.Скласти експериментальну установку , для чого до входу фільтра з затискачами 1-1′ приєднати генератор G, а до виходу фільтра магазин опорів Z_CT. Потім ввімкнути вольтметр PV1 з однополюсним перемикачем SA1 і електронний осцилограф PS1 .

З .За даними параметрів Z₁ , Z₂ , Z₀ елементів фільтра розрахувати смугу пропускання , величину характеристичного опору Z_CT для частоти і встановити його на магазині опорів.

4.Після перевірки керівником правильності з’єднань приєднати до живильної мережі генератор G, вольтметр PV1 і електронний осцилограф PS1.

5.Подати від генератора на вхід Y задану напругу U₁ при частоті f₀ і установити ручками осцилографа відхилення проміння по вертикальній осі на А , mm . Потім цю ж напругу переключити на вхід X і впевнитися , що довжина світлового променя по горизонтальній осі також дорівнює А мм .

6.Підтримувати відповідною ручкою генератора G незмінною за величиною напругу U₁ на вході фільтра і плавно змінюючи частоту коливань генератора в межах від 0.5f₀ до 2f₀ з обов'язковим встановленням резонансної частоти f₀ , зробити декілька вимірювань вихідної величини напруги U₂ . Одночасно з відліком за вольтметром PV1 вимірювати на екрані осцилографа найбільшу ординату А фігури Лісажу та ординату В точки її перетину з вертикальною віссю.

Результати вимірювань занести в таблицю:

№ досліду	Частота f , Гц	Напруга , В		Ординати фігури Лісажу , мм		Зображення фігури Лісажу
		Вхідна U1	Вихідна U2	А	В
1...6

21 Тоді коефіцієнт затухання b буде :

Величина коефіцієнта затухання вимірюється в неперах. Затуханню в 1 неп відповідає зменшення вихідних величин фільтра відносно вхідних в е=2,718 разів.

К оефіцієнт затухання виражають також в децибелах , користуючись формулою:

звідки випливає , що 1неп = 8,686дб , а 1дб = 0,115неп.

В смузі пропускання електричного фільтра коефіцієнт затухання b=0 і фільтр

пропускає коливання без затухання. В цьому випадку модулі відповідних

величин на вході і виході фільтра однакові, тобто U₁=U₂; I₁=I₂.

В смузі затримання електричного фільтра , коли відношення f/f₀ змінюється в

межах від одиниці до нескінченності, коефіцієнт затримання буде:

тобто стає більше нуля, що свідчить про затухання коливань (рис.2). Коефіцієнт фази α в смузі пропускання фільтра визначається за формулою:

=arccos [l-2(f/f ₀)²]

Рис. 2. Характеристики низькочастотного фільтра.

і змінюється в межах від нуля до л, зберігаючи це значення незмінним на всій смузі затримання (рис. 2).

23

22

Експериментальне визначення коефіцієнта фази  виконують електронним осцилографом , якому на вхід Y подають вхідну напругу U₁ =U_1m sin(ωt+α), а на вхід X вихідну U₂ =U_2m sin(ωt) (рис. 3).

На екрані з'являється фігура Лісажу у вигляді еліпса, вписаного в прямокутник з сторонами 2U_1m і 2U_2m Точки 1,2,3,4 еліпса , які проходять електронний промінь на екрані осцилографа , відповідають точкам 1 ,2 ,3 ,4 синусоїди вхідної напруги U₁ =U_1m sin(ωt+α), а точки 1 ,2 ,3 ,4 - синусоїд вихідної напруги U₂ =U_2m sin(ωt). Положення і форми еліпса , який в окремому випадку може перетворитися в пряму або коло , а також напрям обертання електронного проміння залежать від величини коефіцієнта фази (рис. 4), що визначається за формулою:

,

де В - ордината точки перетину вертикальної осі з фігурою Лісажу; А - ордината верхньої точки фігури Лісажу.

Напрям обертання електронного проміння легко встановити невеликою зміною коефіцієнта фази α в ту чи іншу сторону й спостереженням за відповідним характером зміни фігури Лісажу. Так , наприклад , якщо фігура Лісажу відповідає коефіцієнту фази α=π/4 або α=7π/4 (рис. 4), то збільшення коефіцієнта фази на π/4 в першому випадку дає коло, а в другому-пряму лінію.

Рис 4. Фігури Лісажу при однакових амплітудах напруг, зсунутих по фазі на кут α.

Рис. 3. Визначення коефіцієнта фази електронним осцилографом.

Опис експериментальної установки

Для проведення досліду по дослідженню низькочастотного електричного фільтра складають установку (рис. 5) , в якій T - подібний фільтр , що складається з індуктивних котушок Z₁ і Z₂ і конденсатора Z₀ з відомими параметрами, живиться від генератора G з плавним регулюванням частоти синусоїдальних коливань.

Рис 5. Схема експериментальної установки для дослідження фільтра.

20

частот. Зокрема , низькочастотні електричні фільтри без втрат (рис. 1) пропускають струми частоти f , що лежить в межах визначених нерівністю:

O ≤f ≤ f₀, де - резонансна частота фільтра.

Погоджений режим фільтра має місце, якщо він навантажений на характеристичний погоджений опір

де Z_1x, Z_1k - комплексні опори фільтра відповідно при дослідах холостого ходу і короткого замикання.

Характеристичні опори для T і П - подібної схеми визначають за формулами:

де - хвильовий опір фільтра.

В зоні затухання характеристичний опір Z_сп T - подібної схеми має індуктивний характер , в результаті чого вхідний І₁ і вихідний I₂ струми відстають по фазі від напруг.

Для П- подібного фільтра характеристичний опір Z_cn в зоні затухання має ємкісний характер, тому вхідний і вихідний струми випереджують по фазі напруги .

Напруга U₂ і струм I₂ на виході фільтра пов'язані з аналогічними величинами U₁ і I₁ на вході фільтра такими залежностями:

U₂=U₁e^-b e^-jα ; I₂=I₁ e^-b e^-jα ;

В цих виразах e^-b показує, в скільки разів модуль відповідної величини на виході фільтра, погодженого з навантаженням , менше її на вході фільтра, а e^-jα свідчить про величину зсуву фаз між тими ж величинами на кут . Із останніх формул випливає, що:

25 Опрацювування результатів досліду

1.Підрахувати для всіх проведених дослідів величину відношень частоти f до резонансної частоти f₀ і напруг на виході U₂ та на вході U₁ електричного фільтра, а також знайти значення коефіцієнта затухання b і коефіцієнта фази α. Таблицю спостережень доповнити розрахованими даними і представити у вигляді єдиної таблиці:

№

f, Гц

U1, В

U2, B

А, мм

B, мм

f f0

U 2 U1

b, неп

b , дБ

sinα

α град

α град

1...6

2.Побудувати в єдиній координатній системі залежності: ; ;

3.Скласти висновок за результатами виконаної роботи. Запитання для самоперевірки

1. На чому основана дія електричних фільтрів?

2. Що таке низькочастотний електричний фільтр?

3. За якими схемами будують низькочастотні фільтри?

4. Як визначити характеристичний погоджений опір?

5. За якою формулою можна розрахувати резонансну частоту?

6. Що таке коефіцієнт затухання?

7. В яких одиницях виміряється коефіцієнт затухання?

8. Як визначити коефіцієнт фази?

9. Як одержати на екрані осцилографа фігури Лісажу?

10. Як за допомогою фігур Лісажу визначають коефіцієнт фази?

РОБОТА 5

ЦИФРОВИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ ПРИЛАД

Мета роботи

1 .Вивчити принцип роботи цифрових вимірювальних приладів.

2. Познайомитись з структурною схемою і конструкцією цифрового приладу з аналогово-цифровим перетворювачем подвійного інтегрування, побудованим на великій інтегральній мікросхемі.

26

3.Провести порівняння вимірювань напруги, струму й опорів аналоговими й цифровими приладами.

Основні теоретичні положення

Цифровий вимірювальний прилад автоматично перетворює неперервну вимірювальну величину в дискретну й представляє покази на цифровому індикаторі. Він має два обов'язкових функціональних вузли: аналогово- цифровий перетворювач (АЦП) і цифровий індикатор. АЦП будується за деякими загальними принципами. В мультиметрах , тобто універсальних приладах , що виміряють напругу , струм та опір , завжди використовують АЦП, основані на двохтактному інтегруванні із заданою тривалістю такту, (рис. 1).

Рис. 1. Структурна схема АЦП двохтактного інтегрування із заданою тривалістю такту.

При надходженні на вхід пристрою управління ПУІ , запускаючого імпульсу напруги U₂ (рис. 2) , замикається ключ К2 (рис. 1) . Вимірювана напруга U₄ подається на вхід інтегратора І. Одночасно відкривається ключ КЗ і імпульси з частотою f₀ від генератора імпульсів П поступають на вхід подільника частоти ПЧ. Через час T₀ = t₂ – t₁ на виході подільника частоти з'являється сигнал , керуючий пристроєм ПУІ. Останній розмикає ключ К2 , закінчуючи тим самим перший такт to інтегрування вимірювальної напруги U_x. Одночасно пристроєм ПУ2 замикається ключ Kl , який підключає

19 РОБОТА 4

НИЗЬКОЧАСТОТНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ФІЛЬТР Мета роботи

1.Вивчити принцип дії низькочастотних електричних фільтрів.

2.Встановити полосу пропускання електричного фільтра.

З.Виміряти коефіцієнт затухання і фази електричного фільтра.

Основні теоретичні положення

Дія електричних фільтрів заснована на тому , що індуктивні елементи чинять струмам низьких частот малі опори, а ємкісні - великі опори. При струмі високих частот спостерігається протилежне явище. При відповідному

Рис.1. Схема LC- фільтра а)Т-подібний: б)П-подібний.

виборі величини індуктивностей і ємностей , ввімкнутих за T - або П - подібними схемами (рис.1, а і б) можна одержати фільтрову дію таких пристроїв, забезпечити неоднакову їх провідність для струмів різних частот. В результаті цього електричні фільтри майже без перешкод пропускають до електроприймачів тільки струми визначених частот , а струми інших частот проходять до них з великим затуханням. У відповідності з цим кожний електричний фільтр має визначену смугу пропускання (зону прозорості), і смугу затримання (зону затухання) , які фіксуються конкретним діапазоном

18 Опрацювання результатів досліду

1 .Визначити розбіжність виміряного опору ізоляції обмоток статора двигуна з мінімально допустимим , використовуючи формулу:

*100%

де R_ДОП = 0,5 МОм - мінімально допустимий опір ізоляції. 2.Розрахувати відстань до місця пошкодження жил кабеля. Результати розрахунків занести в таблицю:

№ досліду	Опори плечей моста		Відстань до місця пошкодження ізоляції . M
	R1	R2	Жила:	Жила:
2
22

3. Скласти висновок за результатами виконаної роботи. Запитання для самоперевірки

1. Який мінімально допустимий опір ізоляції обмоток статора і жил кабеля при напрузі до 1000 В?

2. Яким приладом виміряють опір ізоляції?

3. Який вимірювальний механізм використовують в мегаомметрі⁹

4. При якій напрузі необхідно визначити опір ізоляції?

5. Від якого джерела енергії живиться мегаомметр?

6. З якою частотою необхідно обертати рукоятку мегаомметра?

7. Яким приладом можна визначити місце пошкодження жил кабеля?

8. В чому виражається рівновага моста?

9. Як визначити місце пошкодження жил кабеля мостом?

10.В якому випадку при визначенні місця пошкодження жил кабеля необхідно врахувати опір з'єднувальних проводів?

27

на вхід інтегратора І опорну напругу U₀, протилежної полярності напрузі U_x. Виконується другий такт інтегрування на ділянці T_x (рис. 2). В момент часу t₃ , коли напруга на виході інтегратора U_i=0, спрацьовує пристрій порівняння ПП, повертаючи пристрій управління ПУ2 в початковий стан. Ключ розмикається й інтегрування закінчується .Вихідний сигнал ПУ2 на час T_x (рис. 2) замикає ключ К4 і імпульси генератора П з частотою f₀ поступають на лічильник ЛІЧ і далі на індикатор IH. Кількість імпульсів при цьому:

пропорційна вимірювання напрузі U_x.

Рис 2. Часова діаграма роботи АЦП двотактного інтегрування.

Для вимірювання змінної напруги використовують перетворювачі на основі одно- і двонапівперіодних випрямлячів.

Перетворювачі для вимірювання постійного і змінного струмів виконуються у вигляді шунтів , спад напруги на яких пропорційний величинам, що виміряються.

При вимірюванні опору визначають цифровим вольтметром спад напруги на вимірюваному опорі. В цифровому мультиметрі може бути використана інтегральна мікросхема КР572ПВ2, (рис. 3) аналогова частина якої містить повторювач напруги A1 , інтегратор А2 з елементами поза мікросхемою R1, C1, С2 , компаратор A3 здійснюючий порівняння напруги, що вимірюється U_x з опорною U₀, вузол формування загального потенціалу на операційному посилювачі А4 , систему аналогових ключів S1...S6, комутуючих напруги U_x, U₀ і S01...S05, здійснюючих такт автокорекції похибки. Резистор R2 і конденсатор С4 визначають частоту тактового генератора . Елементи R3 , С5 - являють собою фільтр нижніх частот , який згладжує пульсації вхідної напруги U_x. Конденсатор СЗ фіксує опорні напруги U₀.

28

27

Рис. 3. Схема аналогової частини мікросхеми КР572ПВ2.

На першому такті інтегрування тривалістю T₀=1000 тактових імпульсів замикаються ключі S1 , S2 (рис. 3) і інтегрується вимірювана напруга U_x. В залежності від знака U_x в другому такті інтегрування замикаються ключі S3, S4 або S5, S6 , і також S04. Таким чином в другому такті інтегрується опорна напруга U₀ знака, протилежного U_x. Тривалість другого такту визначається часом , за який напруга на виході інтегратора А2 знижується до нуля. Спрацюванням компаратора A3 закінчується подача тактових імпульсів в цифрову частину мікросхеми і на цифровий індикатор. Число цих імпульсів пропорційне вхідній напрузі U_x.

N=N₁ (U_x/U₀), де N₁ - число тактових імпульсів першого такту інтегрування.

Тактові імпульси виробляються діленням частоти тактового генератора мікросхеми на чотири f_T= f₀ /4. Загальна тривалість циклу перетворювання АЦП складає f_T=4000 періодів тактових імпульсів. Частота тактового генератора дорівнює f₀=40...200 кГц. Якщо цикл продовжується 0.4с , то перший такт інтегрування складає T₀=0.1c , другий T_x=0...0.2с і автокорекція 0,3...0,Ic. Потрібно встановлювати таку частоту генератора f₀, при якій тривалість

17 Проведення досліду

1.Ознайомитись з приладами, апаратами та іншим обладнанням експериментальної установки, записати їх технічні характеристики в протокол досліду.

2.Перевірити роботу мегаомметра обертаючи рукоятку його генератора з частотою 90...120 об/хв при розімкнутих затискачах "лінія-земля". Стрілка повинна показувати опір ∞. При обертанні рукоятки генератора не можна торкатись затискачів приладу, а також приєднаних до нього проводів, бо напруга між ними доходить до небезпечних для життя величин.

3.Приєднувати почергово затискачі обмоток статора C1,С2,СЗ до затискача "лінія" мегаомметра, а його затискач "земля" до заземлення і обертаючи рукоятку приладу провести відлік по шкалі мегаомметра. Потом виміряти опір між обмотками двигуна. Результати вимірювань занести в таблицю

Номер досліду	Величина опору ізоляції для затискачів , МОм
	C1	С2	СЗ	C1 -С4	С2-С5	СЗ-С6
1

4.Виміряти мостом постійного струму опори непошкоджених жил кабеля і в залежності від його величини вибрати схему вмикання моста для визначення відстані до точки пошкодження ізоляції з урахуванням лінії з'єднувальних проводів або без урахування.

5.З'єднати перемичкою на кінці кабельної лінії непошкоджену жилу з пошкодженою , виявленою в п.4 вимірюванням опору ізоляції.

6.Приєднати вимірювальні затискачі моста до початку непошкодженої і пошкодженої жил кабеля і, повертаючи ручки магазинів опорів, добитися рівноваги моста. Величини опорів занести в таблицю:

№	Опір , Ом					Перемичка, встановлена між затичками	Міст підключення затискачів
	Непошкоджена жила кабеля	Плечі моста		Провідники ліній
		R1 R2	R2	R1	R2
1
2

16

Протилежні кінці цих жил приєднують точками M і N до моста. Змінюючи магазинами опір резисторів - R₁ , R₂ досягають цим рівноваги моста, тобто установки стрілки гальванометра на нульову позначку шкали. Тоді відстань - X від точки вимірювання - N до місця пошкодження ізоляції 3 буде:

де L - довжина проводу.

Якщо паралельно проводу площею перерізу жили Sl - прокладається контрольна жила площею перерізу - S2 , то відстань до місця пошкодження ізоляції визначають за формулою:

При опорі жили проводу менше 0,5 Ом необхідно врахувати лінії з'єднувальних проводів з опорами R_Л1; R_Л2 (рис. 2). Тоді формула для визначення відстані X до місця пошкодження кабеля буде мати вигляд:

де ρ - опір матеріалу жил кабеля.

Опис експериментальної установки

Рис 3. Схема експериментальної установки.

Експериментальна установка складається з асинхронного двигуна з виводами обмоток статора : С1-С4 фази А , С2-С5 фази В , СЗ-С6 фази C і

фізичної моделі силового чотирижильного кабеля з вхідними А,В,С, і вихідними Л1,Л2,Л3,N (рис.3) затискачами.

29

першого такту кратна періоду напруги кола (Тс=20мс). При цьому АЦП нечутливий до перешкод мережі.

Опис експериментальної установки

Експериментальна установка містить цифровий мультиметр, закріплений на панелі з виведеними на зовні характерними точками мікросхеми і схему для вимірювання напруги і струму з блоком живлення мультиметра VDl (рис. 4). Перемикач SAl використовується для переводу мультиметра з режиму вимірювання напруги в режим вимірювання струму. При натиснений кнопці SBl вимірюють струм. Зразкові амперметр PAl і вольтметр PVl використовуються для порівняння їх показань з показаннями мультиметра. Змінним резистором змінюють струм амперметра.

Проведення досліду

1 .Ознайомитись з конструкцією мультиметра , електронним осцилографом й іншим обладнанням експериментальної установки , записати їх технічні характеристики в протокол випробовування.

2.Скласти установку для вимірювання напруги і струму , для чого приєднати до кола змінної напруги А, В через двополюсний автоматичний вимикач QF1 блок живлення VD1, штепсель Xl вставити в гніздо Xl живлення мультиметра , а потім зібрати послідовну частину установки з кнопкою з само поверненням SB1, амперметром PA1 і резистором R_p. Після цього приєднати вольтметр PV, перемикач SA1 , і з'єднувальні проводи до гнізд * , І і U мультиметра.

3. Після перевірки керівником правильності з’єднань ввімкнути автоматичний вимикач QFl , вмикач живлення мультиметра, а також електронного осцилографа PS1.

4. Перевірити роботу АЦП мультиметра, для чого замкнути накоротко клеми 21 і 37. На цифровому табло повинно засвітитися контрольне число - 1888.

5.Приєднуючи вхід Y осцилографа послідовно до затискачів 38-40;35-36;30-31 і 27-28 визначити частоту тактового генератора f₀, опорну напругу U₀, вхідну напругу U_x, тривалість тактів інтегрування T₀ , T, а також скопіювати на кальку з екрана осцилографа графік зміни напруги на виході інтегратора А2.

зо

Рис. 4. Експериментальна установка: а) мультиметр з виведеними назовні характерними точками мікросхеми; б) схема установки для вимірювання напруги і струму з блоком живлення мультиметра.

6.Результати спостережень занести в таблицю.

№ досліду	Частота тактового генератора	Опорна напруга	Вхідна напруга	Тривалість тактів інтегрування
	f0, Гц	U0, В	Ux, В	T0 , mс	T, mс
1...4

7.Виміряти мультиметром і зразковими аналоговими приладами постійну напругу і струм при декількох значеннях струму , встановленого змінним резистором R_p. При вимірюванні струму перемикач SA1 ставлять у нижнє положення і натискують кнопку SB1 і кнопку І мультиметра.

Результати спостережень заносять в таблицю:

	Напруга , В		Струм , А
	Цифровий прилад	Аналоговий прилад	Цифровий прилад	Аналоговий прилад
1...4

8.Виміряти мультиметром декілька значень опору заданих магазином опорів.

15

M₁=M₂ В такому разі: K₁B₁ (α) I₁ =K₂B₂ (α) I₂

або:

Таким чином, відношення струмів представляють деяку функцію кута повороту котушок α.

Струми в котушках будуть: Рис. 1 .Схема будови мегаометра.

;

де R₁ , R₂ - опори котушок приладу; R_Д1 , R_Д2 - додаткові резистори; R_x - опір, який вимірюється.

Тоді функція кута відхилення стрілки буде:

тобто пропорційна вимірюваному опору R_x.

Відсутність у котушок протидіючих пружин дозволяє стрілці займати байдуже положення на шкалі при непрацюючому приладі.

Рис 2. Схема підключення моста до пошкодженого кабелю.

Визначити місце пошкодження ізоляції жил проводу можна мостом постійного струму (рис. 2). Для цього на віддаленому кінці проводу закорочують перемичкою П справну і пошкоджену жили кабеля.

14

РОБОТА З

ВИМІРЮВАННЯ ОПОРУ ІЗОЛЯЦІЇ

Мета роботи:

1.Вивчити методи вимірювання опору ізоляції. 2.Виміряти опір обмоток статора асинхронного двигуна і ізоляції проводів електричної мережі. 3.Визначити місце обриву проводу.

Основні теоретичні положення

Опір ізоляції відноситься до розряду великих опорів. Обмотки статора і кабелі напругою до 1000 В повинні мати ізоляцію опором не менше 0,5 МОм. На його величину впливають: напруга, вологість і температура навколишнього середовища. Тому виміряти опір ізоляції треба при напрузі, що перевищує мінімальну робочу напругу кабеля або електроустановки.

В тих випадках, коли установка і кабель не знаходяться під напругою, вимірювання опору ізоляції проводиться за допомогою мегаометра (рис. 1). Дві жорстко зв’язані між собою і закріплені на одній осі котушки 1 і 2 логометра ввімкнені в схему моста постійного струму і живляться від вмонтованого генератора постійного струму з ручним приводом. Частота обертання генератора - 90 ... 120 об/хв.

Обертові моменти котушок визначають так:

M₁ = K₁B₁ (α) I1; M₂=K₂B₂(α)I₂;

де K₁ і K₂ - коефіцієнти пропорційності; В₁(α),В₂(α) - індукція в залежності від кута повороту котушок а.

Струми в обмотках направлені так, що обертові моменти взаємно протилежні за напрямом. Один з моментів завдяки еліптичності магніто проводу залежить від кута повороту. Тому стійка рівновага виникає тільки при:

31 Результати вимірювань занести в таблицю:

№ досліду	Опір,Ом ,Ом
	Встановлений магазином опорів	Виміряний мультиметром
1...4

Опрацювування результатів досліду

1.Накреслити в масштабі за даними таблиці п.5 часові діаграми роботи аналогово-цифрового перетворювача.

2.Визначити за даними п.5 і п.6 абсолютні похибки вимірюваних напруги , струму і опору.

3.Скласти висновок за результатами виконаної роботи.