Составление протокола измерений

ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Методические указания

к лабораторным работам по ТОЭ ч.1

Киров 2016

Печатается по решению редакционно-издательского совета Вятского государственного университета.

УДК

Авторы: к.т.н., доцент Агалакова Л.М., кафедра ЭиЭ

к.т.н., доцент Кривошеин И.Л., кафедра ЭиЭ

ст. преподаватель Семёновых Л.В., кафедра ЭиЭ

Агалакова Л.М., Кривошеин И.Л., Семёновых Л.В. Линейная электрическая цепь постоянного тока: методические указания к лабораторным работам по ТОЭ ч.1. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2016. – 14 с.

Авторская редакция

Подписано в печать Усл.печ.л.

Бумага офсетная

Заказ № Тираж Бесплатно

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного авторами

____________________________________________________________________________

610000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.

Введение

Общие указания и правила выполнения лабораторных работ

Выполнение лабораторных работ – важная часть учебного процесса, преследующая цель более глубокого усвоения теоретических положений изучаемой дисциплины и приобретения навыков исследовательской работы.

Перед началом лабораторных работ студенты должны изучить правила и технику безопасности работы в лаборатории.

Для успешного проведения лабораторных занятий каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 2–3 человека. Бригада обязана проделать все лабораторные работы, предусмотренные учебным планом кафедры.

До начала очередной лабораторной работы студент должен ознакомиться с соответствующими указаниями и рекомендованной литературой. Перед выполнением работы необходимо иметь заранее заготовленную форму протокола измерений. Бланк протокола измерений должен быть подготовлен каждым студентом перед лабораторной работой с использованием множительной техники или переписан от руки.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студент должен твердо знать теоретический материал темы, к которой принадлежит данная работа, ясно представлять поставленную в работе задачу, способы ее разрешения и ожидаемые результаты.

Вся экспериментальная часть работы выполняется в полном объеме и той последовательности, как это предусмотрено данными методическими рекомендациями, под наблюдением преподавателя.

Если составляются сложные схемы, следует придерживаться определенного порядка: сначала соединяются последовательно цепи всех приборов с соответствующей аппаратурой, а затем – все параллельные цепи приборов и аппаратура, относящаяся к ним. При соединении элементов цепи и измерительных приборов рекомендуется подключать к клеммам не более двух проводников. Соединяя элементы цепи, следует обратить внимание на правильное включение генераторных зажимов приборов (фазометра, ваттметра). В работах на постоянном токе, необходимо следить за правильным включением приборов, поскольку показания их зависят от направления тока.

Во всех случаях, когда возникает сомнение в правильности полученных результатов измерений, необходимо повторить их вместе с преподавателем.

Обращение с приборами и оборудованием требует большой осторожности и внимательности. Включать напряжение для выполнения опыта можно только после проверки цепи преподавателем или лаборантом.

Описание каждой лабораторной работы в данном учебном пособии включает теоретическую часть, практическую часть и образец бланка протокола измерений.

Составление протокола измерений

Протокол измерений должен вестись с особой тщательностью, так как он является единственным документом, остающимся в распоряжении экспериментаторов. В протоколе должны отмечаться содержание соответствующего пункта лабораторной работы по программе, электрическая схема, по которой производились измерения.

Запись измерений необходимо вести карандашом в таблицах, указывая в заголовках граф таблиц наименование измеряемых величин и единицы измерения.

Ошибочные записи, промахи и сомнительные наблюдения зачеркиваются, но так, чтобы зачеркнутое можно было разобрать.

Если проведение опыта требует выполнения предварительных расчетов, то в протоколе должны быть указаны формулы, по которым они производились и числовые значения, подставленные в формулы.

Рекомендуется после выполнения каждого пункта работы производить, хотя бы ориентировочно, требуемые программой расчеты и построения. Это дает возможность установить правильность проведения опыта.

После выполнения лабораторной работы заполненный протокол утверждается у преподавателя и является неотъемлемой частью отчета о лабораторной работе. Отсутствие у студента утвержденного протокола приравнивается к прогулу. Результаты измерений предъявляются для просмотра преподавателю до разборки исследуемой цепи, затем обводятся чернилами.

Если результаты наблюдений оказываются неудовлетворительными, то опыт необходимо повторить. Удовлетворительные результаты подписываются преподавателем.

Составление отчета

На основании протокола измерений составляется отчет о работе, который включает все данные, занесенные в протокол наблюдений, а также все необходимые вычисления, схемы, графики и диаграммы.

Отчет по выполненной работе составляется по соответствующей форме, приведенной в каждой работе, и должен содержать титульный лист с полной информацией об авторе.

Представляя результаты в графической форме, следует пользоваться масштабами, которые давали бы возможность легко пользоваться графиком. Рекомендуется применять шкалы, масштаб которых выражается числами 1, 2 или 5, умноженными на 10n, где n – целое число. Координатные оси должны быть обозначены с указанием единиц измерения.

На графиках экспериментальных зависимостей обязательно должны быть отмечены точки кривой, полученные в результате эксперимента. На расчетных кривых точки не ставятся.

Векторные и круговые диаграммы должны быть построены в масштабе с указанием его на диаграмме. Масштаб на векторных и круговых диаграммах обозначается указанием масштабного коэффициента. Например, если на диаграмме напряжений отрезку 1 см соответствует 5 В, то следует писать m_U =5 В/см. Если на диаграмме токов отрезку 1 см соответствует 0,1 A, то следует писать m_I = 0,1 A/см.

Отчет представляется преподавателю к следующему лабораторному занятию отдельно каждым студентом. Без сдачи отчета студент не допускается к выполнению очередной работы. Кроме того, вместе с отчетами каждый студент представляет протокол измерений, подписанный ранее преподавателем.

Цель работы

Целью работы является экспериментальная проверка законов Кирхгофа, принципа наложения и метода эквивалентного генератора.

I Общие сведения

Законы Кирхгофа являются основными законами электрических цепей.

Первый закон Кирхгофа устанавливает связь между токами, подходящими к узлу цепи: алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю: .

Второй закон Кирхгофа устанавливает связь между ЭДС и напряжениями в электрической цепи: алгебраическая сумма напряжений на пассивных элементах ветвей замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура: .

Принцип наложения применим к линейным электрическим цепям, и формулируется следующим образом: ток ветви линейной электрической цепи с несколькими источниками равен алгебраической сумме частичных токов, вызываемых в этой ветви действием каждого источника в отдельности.

При действии только одного из источников остальные источники в схеме замещаются их внутренними сопротивлениями. Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС принимается равным нулю. Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Основные положения принципа наложения можно рассмотреть на примере схемы (рисунок 2.1а), которая имеет два источника ЭДС и , а также резисторы , и , включенные в ветви схемы.

а) б) в)

Рисунок 2.1 – Схемы замещения, используемые в методе наложения.

Сначала в схеме оставляют первый источник ЭДС (рисунок 2.1б) и находят создаваемые им частичные токи , и , например, по закону Ома для участка цепи, содержащего ЭДС:

, , ,

где межузловое напряжение определяют по методу двух узлов:

Затем оставляют в схеме второй источник ЭДС (рисунок 2.1в) и находят создаваемые им частичные токи , и :

, , ,

Полные токи , и в ветвях заданной схемы (рисунок 2.1а) находят алгебраическим суммированием частичных токов с учётом их направлений:

, , .

Потенциальная диаграмма позволяет наглядно представить распределение потенциалов в контуре электрической цепи. На плоскости по оси абсцисс откладываются в масштабе сопротивления резисторов в том порядке, в каком они следуют при обходе контура. Значения сопротивлений при этом суммируются, т.е. по оси абсцисс накапливается суммарное сопротивление контура. По оси ординат откладываются потенциалы соответствующих точек выбранного контура.

На рисунке 2.2 построена потенциальная диаграмма для контура цепи (рисунок 2.1а), включающего в себя элементы , , , .

Рисунок 2.2 – Потенциальная диаграмма.

Потенциал точки принимаем равным нулю. Тогда потенциалы точек выбранного контура запишутся:

, , , .

Наклоны прямых и на диаграмме (рисунок 2.2) к оси абсцисс различны. Тангенсы этих углов наклона пропорциональны токам соответствующих участков цепи.

Метод эквивалентного генератора позволяет определить ток в выделенной ветви или конкретном элементе электрической цепи, заменив остальную часть цепи активным двухполюсником А. Активный двухполюсник имеет два параметра: напряжение холостого хода на его разомкнутых зажимах и внутреннее сопротивление относительно этих зажимов.

Например, для определения тока в схеме рисунка 2.1а необходимо ветвь с сопротивлением , по которой протекает этот ток, установить на выходные зажимы активного двухполюсника А, под которым понимается остальная часть электрической цепи (рисунок 2.3а). Активный двухполюсник при расчете заменяется эквивалентным генератором (рисунок 2.3б), ЭДС которого равна напряжению холостого хода на разомкнутой ветви двухполюсника (рисунок 2.3в): , а внутренне сопротивление генератора равно внутреннему сопротивлению двухполюсника, то есть . Сопротивление генератора можно определить экспериментально из опытов холостого хода ( ) и короткого замыкания ( ) ветви :

(рисунок 2.3в, г).

В случае невозможности проведения опытов холостого хода или короткого замыкания (из-за недопустимого тока) проводят два опыта с различными сопротивлениями нагрузки, фиксируя каждый раз ток , и напряжение , на нагрузке. Тогда сопротивление генератора:

а) б) в) г)

Рисунок 2.3 – Метод эквивалентного генератора.

Ток в выделенной ветви, т.е. на сопротивлении , вычисляется по формуле:

Максимум мощности в выделенной ветви (нагрузке эквивалентного генератора) имеет место при и вычисляется как .

Напряжение холостого хода , ток короткого замыкания и внутреннее сопротивление активного двухполюсника А можно рассчитать при наличии значений ЭДС и сопротивлений схемы рисунок 2.3а (используя метод двух узлов и метод наложения):

, .

II Содержание и порядок выполнения работы

Принципиальная схема исследуемой электрической цепи представлена на рисунке 2.4. Для сборки цепи используют источники постоянного напряжения из блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ: ЭДС В (UZ1), В (UZ2); измерительные приборы из блоков МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙпостоянного тока; сопротивления , и выбирают из блока МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ.

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема исследуемой цепи.

Схема соединений используемых в работе модулей представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема соединений модулей стенда.

Подготовительный этап.

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведённой на рисунке 2.5. Установить заданные преподавателем значения сопротивлений резисторов, которые выбираются по представленной ниже таблице 2.1.

Таблица 2.1

Вариант
, Ом
, Ом

В качестве вольтметра удобно использовать мультиметр, включенный в режиме измерения напряжения. Клемма «COM» мультиметра соответствует минусовому выводу вольтметра, а клемма «V» - плюсовому.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.
Без проверки преподавателем включать цепь категорически запрещается.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ. Включить тумблер SA1 источников ЭДС UZ1 и UZ2. В цепи будут работать два источника ЭДС и .

· Установить значение сопротивления резистора , при котором напряжение на резисторе будет 4 - 7 В. Стрелки амперметров PA1, PA2, PA3 блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ должны отклоняться вправо, что будет соответствовать положительному направлению токов.

· Значения сопротивлении , , занести в протокол измерений (таблица 1П).

Проверка выполнения законов Кирхгофа.

· В протоколе измерений указать на схеме замещения (рисунок 1П) положительные направления токов в ветвях, совпадающие с действительными направлениями (от + к – для амперметров). В последующих опытах эти направления принять как положительные, а при отклонении стрелки амперметра влево, измеренному значению приписывать знак минус.

· Измерить значения ЭДС источника UZ1 и источника UZ2,полученные значения занести в таблицу 1П протокола измерений. Измерить значения токов ветвей , и и напряжений на сопротивлениях цепи , , . Все измеренные значения занести в таблицу 2П протокола измерений.

Построение потенциальной диаграммы.

· Измерить потенциалы всех точек, обозначенных на схеме цепи (рисунок 2.4) относительно точки с нулевым потенциалом. Для этого выбрать режим измерения постоянного напряжения мультиметра, вывод «COM» подключить к точке с нулевым потенциалом, а вывод «V» по очереди подключать к другим точкам цепи. Отрицательные напряжения записывать со знаком минус. Точка с нулевым потенциалом выбирается по представленной ниже таблице 2.2.

Таблица 2.2

Вариант
Точка с нулевым потенциалом

Измеренные значения потенциалов занести в таблицу 3П протокола измерений.

Исследование ВАХ активного двухполюсника – зависимости и .

· Измерить ток и напряжение для указанных в таблице 4П значений сопротивления резистора . Данные измерений занести в таблицу 4П.

Определение параметров эквивалентного генератора.

· В режиме короткого замыкания ( , то есть нужно исключить из цепи, например, замкнув его перемычкой) измерить ток .

· В режиме холостого хода (ветвь с разомкнута) измерить напряжение . Для измерения этого напряжения можно просто перенести провода с на вольтметр (мультиметр). Данные измерений занести в таблицу 5П.

· Восстановить цепь с сопротивлением по схеме рисунка 2.4.

Проверка выполнения принципа наложения.

· Восстановить значение сопротивления (из таблицы 1П).

· Исключить из цепи ЭДС (UZ2), как показано на рисунке 2.6а (вместо источника перемычка). В этом случае в цепи будет работать один источник ЭДС . Измерить значения частичных токов ветвей , , и занести их в таблицу 6П протокола измерений. Отрицательные значения токов записывать со знаком минус.

· Восстановить цепь с двумя источниками ЭДС по схеме рисунка 2.4.

· Исключить из цепи ЭДС (UZ1), как показано на рисунке 2.6б (вместо источника перемычка). В этом случае в цепи будет работать один источник ЭДС . Измерить величины частичных токов ветвей , , и занести их в таблицу 6П протокола измерений. Отрицательные значения токов записывать со знаком минус.

· Восстановить цепь с двумя источниками ЭДС по схеме рисунка 2.1.

а) б)

Рисунок 2.6

· Не разбирая цепь утвердить протокол измерений у преподавателя.

· Выключить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

· Разобрать цепь, прибрать рабочее место.

Протокол измерений к лабораторной работе №2

«ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

Рисунок 1П – Схема замещения исследуемой электрической цепи.

Таблица 1П – Параметры лабораторной установки.

, Ом	, Ом	, Ом	, В	, В

Таблица 2П - Проверка законов Кирхгофа.

, В	, В	, В	, мА	, мА	, мА

Таблица 3П – Опытные данные для построения потенциальной диаграммы.

, В	, В	, В	, В

Таблица 4П – Экспериментальные зависимости и .

, Ом
, В
, мА

Таблица 5П – Результаты определения параметров эквивалентного генератора.

, мА	, В	, Ом	, Ом

Таблица 6П - Проверка принципа наложения.

Опыт	, мА	, мА	, мА	, мА
Включены и
Включена ЭДС
Включена ЭДС
Расчет для +

Работу выполнил _______________________________

Работу проверил _________________________________

III Содержание отчёта

1. Отчет должен содержать титульный лист с темой лабораторной работы, датой оформления, информацией о студенте: фамилия, курс и группа.

2. Нарисовать схему замещения исследуемой электрической цепи, указать положительные направления токов (рисунок 1П).

3. Для исследуемой электрической цепи записать: уравнения по первому закону Кирхгофа; уравнения по второму закону Кирхгофа. Перенести в отчёт таблицу 2П протокола измерений. По данным таблицы проверить численно эти уравнения. Обработку опытных данных представить в следующем виде.

Проверка по табл. 1П первого закона Кирхгофа.
В общем виде:	В цифровом выражении:

Проверка по данным табл. 1П второго закона Кирхгофа.
В общем виде:	В цифровом выражении:

Сделать вывод о выполнении законов Кирхгофа и причинах возможных погрешностей.

4. По данным представленной в отчёте таблице 3П протокола измерений построить с соблюдением масштабов потенциальную диаграмму для замкнутого контура bcadb. Показать по диаграмме, ток в какой ветви больше.

5. Используя значения параметров элементов схемы замещения (таблица 1П) , , и рассчитать напряжение холостого хода , ток короткого замыкания и внутреннее сопротивление активного двухполюсника А. Результаты расчёта занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Опыт	, мА	, В	, Ом	, А

Расчёт

Сравнить рассчитанные значения этих параметров с опытными данными таблицы 5П протокола измерений.

6. Взять значение сопротивления из таблицы 1П протокола измерений и рассчитать с этим значением ток методом эквивалентного генератора: .

Сравнить полученное значение тока с измеренным в опыте (таблица 1П).

7. Рассчитать максимальное значение мощности преобразования электрической энергии в тепловую на сопротивлении : .

По данным таблицы 4П протокола измерений рассчитать зависимости тока и мощности третьей ветви от значения ее сопротивления:

, .

Результаты расчёта занести в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

, Ом
, В
, мА
, Вт

8. По данным таблицы 2.4 построить зависимости , и в одной системе координат. На этом же рисунке точками отметить экспериментальные значения тока из таблицы 4П протокола измерений.

Сделать вывод, при каком сопротивлении в нем выделяется максимальная мощность. Сравнить это значение с .

9. По данным таблицы 4П и 5П построить ВАХ активного двухполюсника. В этой же системе координат построить ВАХ резистора (из табл. 1П).

Сравнить результат графического расчета с таблицей 2П.

10. Для исследуемой электрической цепи записать: уравнения по принципу наложения для каждого тока. Обработку опытных данных представить в следующем виде.

Проверка по данным табл. 6П принципа наложения.
В общем виде: _____________________________ _____________________________ _____________________________	В цифровом выражении: _____________________________ _____________________________ _____________________________

Результаты свести в таблицу 2.5:

Таблица 2.5

Опыт	, мА	, мА	, мА	, мА
Включены обе ЭДС
Включена ЭДС
Включена ЭДС
Расчет для +

Сравнить результаты расчета с результатами измерений.

11. Записать выводы по работе, например, о влиянии внутреннего сопротивления эквивалентного генератора на максимальную мощность подключенной к нему нагрузки.

IV Вопросы для самопроверки

1. В чём сущность принципа наложения?

2. Как учитываются внутренние сопротивления источников при расчёте цепей методом наложения?

3. Для чего служат и как подключаются амперметры и вольтметры в электрической цепи?

4. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа. Приведите какую-либо схему замещения электрической цепи и для неё составьте уравнения по законам Кирхгофа.

5. Когда используется метод эквивалентного генератора? Каковы другие названия этого метода? В чём состоит суть метода?

6. Что понимают под активным двухполюсником в электрической цепи? Нарисуйте схему замещения.

7. Как определить входное сопротивление двухполюсника?

8. При каком сопротивлении приёмника энергии в нём потребляется максимальная мощность? Как её вычислить?

9. Опишите вольтамперные характеристики элементов линейной цепи постоянного тока: резистора, источника ЭДС, источника тока, активного двухполюсника (эквивалентного генератора).

10. Какова последовательность построения потенциальной диаграммы?