3. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с описанием измерительных приборов, уделив особое внимание осциллографу.
Виртуальные измерительные приборы
Виртуальные измерительные приборы, представленные в программе Multisim, имеют внешние лицевые панели приборов, которые достаточно близко совпадают с панелями физических приборов.
Амперметр
Амперметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в амперах. На панели прибора может быть указано значение тока в миллиамперах. В данном случае действующее значение тока, указанное на панели амперметра, равно 8.020 мА. Напомним, что при расчете надо использовать систему СИ, т. е. ток — в амперах, напряжение — в вольтах. Амперметр устанавливают последовательно с цепью, в которой следует измерить ток.
Вольтметр
Вольтметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в вольтах. Вольтметр подключают параллельно участку цепи, на котором следует измерить напряжение. В данном случае действующее значение напряжения на сопротивлении R2, указанное на панели вольтметра равно 3.208 В.
Ваттметр
Ваттметр - измерительный прибор, который измеряет активную мощность и в данном случае коэффициент мощности. Ваттметр имеет две обмотки – обмотку напряжения, которая включается параллельно исследуемому участку цепи, и токовую обмотку, которая включается последовательно с исследуемым участком. В данном случае указанны свернутая и развернутая панели ваттметра. На развернутой панели указаны активная мощность — 25.748 мВт и коэффициент мощности — 0.454. Свернутую панель используют для подключения вольтметра к исследуемой цепи.
Осциллограф
Осциллограф измерительный прибор, который регистрирует мгновенные значения напряжений. В данной работе использовался двухканальный осциллограф (канал А и канал В), который может одновременно изображать на экране сразу два напряжения. Так как напряжение на резистивном элементе пропорционально току, то можно это напряжение считать мгновенным значением тока. Если понадобится количественно оценить значение тока, то надо воспользоваться соотношением:
i = u / R. (1.8)
Масштаб времени по горизонтальной оси известен, на это указывает величина развертки. Кроме этого указывается время между двумя маркерами в окне Т2 – Т1. При этом маркеры установлены так, что расстояние между ними соответствует фазовому сдвигу между током и напряжением.
На рис. 1.4 представлен экран виртуального осциллографа, у которого масштаб по оси времени равен 100 мкс на деление (одно большое деление разделено на 5 мелких делений). Отметим, что буква u здесь и везде означает величину 10–6 , т. е. приставку мк. Период синусоидальных напряжений равен 4 большим делениям, т. е. 4 . 100 = 400 мкс. Следовательно, частота f синусоидального напряжения равна:
f = 1/(400 . 10-6) = 2,5 кГц.
i
u
Рис. 1.4
Расстояние между двумя маркерами (Т2 – Т1) равно 73,469 мкс. Следовательно, угол сдвига фаз φ между током и напряжением равен:
рад
или 65,9 град.
При этом ток отстает от напряжения. Значит цепь имеет индуктивный характер.
Важно! Сигнальный «провод», соединяющий сопротивление и соответствующий канал осциллографа, имеет красный цвет и осциллограмма красного цвета соответственно будет осциллограммой тока. Осциллограмма оранжевого цвета будет осциллограммой напряжения на исследуемом элементе.
Масштаб по вертикальной оси канала А равен 5 вольт на деление. Поэтому амплитуда напряжения Um равна Um = 2. 5 = 10, В.
Масштаб по вертикальной оси канала В равен 500 мкВ на деление. Поэтому амплитуда напряжения Um равна Um = 1,6 . 500 = 800, мкВ. Амплитуда тока соответственно равна Im = Um /R . Например, если R равно 10 Ом, то Im = 0,08 мА.
2. Выбрать свой вариант файла, в котором указаны схемы и даны показания приборов (амперметра, вольтметра, ваттметра) и осциллограммы. Вариант выбирается по последней цифре шифра. Например, вариант 1 соответствует последней цифре шифра 1 и т. д. Все варианты представлены на учебном сайте в среде Mudle в файле «Варианты».
3. Ознакомиться со схемой, содержащей измерительные приборы, осциллограф, активное сопротивление R2 и последовательно соединенное с ним измерительное сопротивление R1 = 7 мОм, необходимое для регистрации мгновенного значения тока (рис.1.5). Заметим, что рис. 1.5, 1.6 и 1.7 находятся в файле, установленного на учебном сайте, и здесь не представлены.
4. Записать показания измерительных приборов в соответствующие графы табл. по форме 1.1.
Форма 1.1
Вид цепи |
Измерено |
Вычислено |
|||||||||
U, В |
I, А |
Р Вт |
сosφ |
R2, Ом |
xL , Ом |
xC , Ом |
L, мГн |
С, мкФ |
Р Вт |
сosφ |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.
Рассчитать значения активного
сопротивления R,
коэффициента мощности cosj
и активной мощности Р,
воспользовавшись соотношениями
;
Р
= UI
cosj;
arctg
.
Принять в данном случае x
= 0. Полученные результаты занести в
соответствующие графы табл. по форме
1.1.
6. Анализируя полученные графики u и i, убедиться в том, что в цепи с активным сопротивлением ток и напряжение совпадают по фазе.
Построить в тех же масштабах векторную диаграмму тока и напряжения цепи для амплитудных или действующих значений. Указать на этой диаграмме угол сдвига фаз. На основании известных масштабов осциллографа (рис. 1.5) рассчитать действующие значения напряжения U на исследуемом элементе R2 и тока I в цепи. Полученный результат занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
Форма 1.2
Вид цепи |
Измерено |
Вычислено |
||||||||
U, В |
I, А |
R2, Ом |
xL , Ом |
xC , Ом |
L, мГн |
С, мкФ |
Р Вт |
сosφ |
||
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. На основании данных, полученных в пункте 5, рассчитать значения активного сопротивления R, коэффициента мощности cosj и активной мощности Р, воспользовавшись известными из пункта 4 соотношениями. Полученный результат занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
8. Ознакомиться со схемой, содержащей измерительные приборы, осциллограф, индуктивность L и последовательно соединенное с ней измерительное сопротивление R1 = 7 мОм, необходимое для регистрации мгновенного значения тока (рис. 1.6).
9. Записать показания измерительных приборов в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
10.
Рассчитать значения индуктивного
сопротивления xL
и индуктивности L
цепи, коэффициента мощности cosj
и активной мощности Р,
воспользовавшись соотношениями
,
,
Р
= UI
cosj,
φ = arctg
.
При этом частоту входного напряжения
f
=ω/2π определить по осциллограмме. Как
это сделать указано в первом пункте.
Полученные результаты занести в
соответствующие графы табл. по форме
1.2.
11. Анализируя графики u и i (рис. 1.6), убедиться в том, что в цепи с индуктивным элементом ток отстает по фазе от напряжения на 90 градусов.
Построить в тех же масштабах векторную диаграмму тока и напряжения цепи для амплитудных или действующих значений. Указать на этой диаграмме угол сдвига фаз. На основании известных масштабов осциллографа (рис. 1.6) рассчитать действующие значения напряжения U на исследуемом элементе L и тока I в цепи. Полученный результат занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
12. На основании данных, полученных в пункте 9, рассчитать величину индуктивного сопротивления xL, индуктивности L, коэффициента мощности cosj и активной мощности Р, воспользовавшись формулами указанными в пункте 10. Полученные результаты занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
13. Ознакомиться со схемой, содержащую измерительные приборы, осциллограф, емкостной элемент С и последовательно соединенное с ним измерительное сопротивление R1 = 7 мОм, необходимое для регистрации мгновенного значения тока (рис. 1.7).
14. Записать показания измерительных приборов в соответствующие графы табл. по форме 1.1.
15.
Рассчитать значения индуктивного
сопротивления xС
и емкости С,
коэффициента мощности cosj
и активной мощности Р,
воспользовавшись соотношениями
;
;
Р
= UI
cosj;
φ = arctg
.
При этом частоту входного напряжения
f
=ω/2π определить по осциллограмме. Как
это сделать указано в первом пункте.
Полученные результаты занести в
соответствующие графы табл. по форме
10.1.
16. Анализируя графики u и i (рис. 10.7), убедиться в том, что в цепи с емкостным элементом ток опережает по фазе напряжение на 90 градусов.
Построить в тех же масштабах векторную диаграмму тока и напряжения цепи для амплитудных или действующих значений. Указать на этой диаграмме угол сдвига фаз. На основании известных масштабов осциллографа (рис. 1.7) рассчитать действующие значения напряжения U на исследуемом элементе С и тока I в цепи. Полученный результат занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
17. На основании данных, полученных в пункте 14, рассчитать величину емкостного сопротивления xС, емкости С, коэффициента мощности cosj и активной мощности Р, воспользовавшись формулами указанными в пункте 15. Полученные результаты занести в соответствующие графы табл. по форме 1.2.
18. Провести сравнительный анализ всех расчетных величин, выполненных двумя методами – на основании измерительных приборов и на основании осциллограмм, % по соотношению:
,
где – XПР, XОСЦ расчетные значения, полученные соответственно на основании измерительных приборов и осциллографа. Расчетные данные занести в табл. по форме 1.3
Форма 1.3
% |
R |
L |
C |
сosφ |
Р |
δ |
|
|
|
|
|