ETM Praktikum 1. Timo Wellmann Garlef Schlegtendal. 22. November 2004

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1 ETM Praktikum November 2004

2 Inhaltsverzeichnis 1 Praktikum Einleitung Teil 1: Messung an Gleichrichtern Ziel Durchführung Auswertung Strommessung Teil 2: Frequenzgang von Analog- und Digital-Multimetern Ziel Durchführung Auswertung Zusammenfassung A Anhang (Geräteliste, Oszilloskopbilder) 13 2

3 1 Praktikum Einleitung Dieser Praktikumsversuch zeigt die Grenzen von verschiedenen Typen von elektrischen Messgeräten auf, und verdeutlicht die Probleme die auftreten, wenn die zu messende Spannung oder der zu messende Strom nicht mehr rein sinusförmig ist oder die Frequenz nicht mehr den Haushaltsüblichen 50 Herz entspricht Das durchgeführte Praktikum gliedert sich in zwei Teile, die Unterschiedliche Eigenschaften elektrischer Messgeräte untersuchen. Im ersten Teil wollen wir untersuchen, wie digital Multimetern, Drehspul- und Dreheisengeräte auf verschiedene Signalverläufe reagieren Der zweite Teil des Praktikums beschäftigt sich mit der Genauigkeit der Geräte, wenn die Frequenz variiert. 1.2 Teil 1: Messung an Gleichrichtern Ziel Es soll gezeigt werden, dass unterschiedliche Messgeräte (Dreheisen, Drehspul, DVM RMS und arithmetisch mittelndes DVM) nicht immer ein korrektes Ergebnis liefern, wenn das angelegte Spannungssignal kein sinusförmigen Verlauf hat. Hier unterscheiden sich die mechanischen Bauarten, Drehspul und Dreheisen-Messgeräte, und die Digitalen Multimeter mit und ohne RMS in ihrer Anzeige deutlich voneinander. Als Spannung dient ein gleichgerichtetes Wechselsignal, dass wir über verschiedene Gleichrichterschaltungen realisieren Durchführung Einweggleichrichter Als erste zu untersuchende Ausgangsspannung dient eine einweggleichgerichtete, sinusförmige Wechselspannung von 20 V. Sämtliche Messgeräte werden parallel zu der Ausgangsspannung geschaltet. Zur Kontrolle wird noch ein Oszilloskop, parallel, dazugeschaltet, um den genauen Signalverlauf zu betrachten. Die erste Messung erfolgte im unbelastetem Zustand. Die digitalen Messgeräte werden für jede Messung einmal als Gleichspannungs- und einmal als Wechselspannungsmessgerät umgeschaltet. Danach wird sowohl ein variabler Lastwiderstand, parallel zu den Messgeräten geschaltet, als auch ein Sieb-/Ladekondensator. Nun wird der Lastwiderstand so geregelt, 3

4 ETM-Praktikum1 1.2 dass ein Strom von 100 ma fließt. Mit dem Amperemeter (ABB (TRMS)), das nach den Analogen Messgeräten geschaltet wird, kann dies gut überwacht werden. Die zwei weiteren Messungen werden nun mit einem Laststrom von 200 und 300 ma wiederholt. Abbildung 1.1: Schaltungsaufbau Einweggleichrichter Folgende Messergebnisse wurden ermittelt: U A Analog Analog DVM DVM RMS U AC [V] U DC [V] U eff [V] I DC [ma] U DC [V] U AC [V] U DC [V] U AC [V] 20 8,8 13, ,74 8,7 8,7 10, ,9 25, ,05 0, , ,4 24, ,2 24 1, ,8 23, ,3 1,67 23,3 1,71 Tabelle 1.1: Einweggleichrichter Brückengleichrichter Für weitere Messungen wird nun der Einweggleichrichter durch einen Brückengleichrichter ersetzt. Wie auch im vorherigen Versuch wird die Spannung als erstes ohne Last und auch ohne Sieb-/Ladekondensator gemessen. Für die drei Messungen mit Last wird der Kondensator parallel geschaltet. Der Lastwiderstand wird so eingestellt, dass wieder 100, 200 und 300 ma flossen. Folgende Messergebnisse wurden ermittelt: 4

5 ETM-Praktikum1 1.2 Abbildung 1.2: Zweiweggleichrichter U a Analog Analog DVM DVM RMS U AC [V] U DC [V] U eff [V] I DC [ma] U DC [V] U AC [V] U DC [V] U AC [V] 20 10,9 18,9 0 16,87 8,53 16,83 8, , ,75 0,33 25,08 0, , ,5 0,53 24,5 0, ,5 24, , , Auswertung Einweggleichrichter Tabelle 1.2: Brückengleichrichter Als erstes wird der Effektivwert berechnet, den uns das Fluke 67 liefert. U eff [V ] = U 2 2 DC + U AC Und die Welligkeit: (Siehe Tabelle 1.3) Der Formaktor Welligkeit = U AC U DC F = π 2 = 1, 57 = U u = Effektivwert Gleichrichtwert (dies trifft nur auf die unbelastete Schaltung zu) für sinusförmige Signale bei Enweggleichrichter ohne Ladekondensator, ergibt für unsere Messung: 13, 72V 8, 66V = 1, 98 5

6 ETM-Praktikum1 1.2 DVM RMS Welligkeit I DC [ma] U DC [V] U AC [V] U eff [V] W 0 8,7 10,66 13,76 1, ,78 25,01 0, ,25 24,03 0, ,3 1,71 23,36 0,07 Tabelle 1.3: U eff und Welligkeit beim Einweggleichrichter Der Crest-faktor berechnet sich wie folgt: mit unseren Werten ergibt das ξ = Spitzenwert Effektivwert = û U ξ = 27, 1V 13, 72V = 1, 98 Brückengleichrichter Auch hier berechnen wir als erstes wieder die Effektivwerte und die Welligkeit anhand der Messwerte, die uns das Fluke 67 liefert. Mit den bekannten Formeln: U eff [V ] = U 2 2 DC + U AC Und die Welligkeit: Welligkeit = U AC U DC DVM RMS Welligkeit I DC [ma] U DC [V] U AC [V] U eff [V] W 0 16,83 8,72 18,95 0, ,08 0,34 25,08 0, ,5 0,54 24,51 0, ,74 24,01 0,03 Tabelle 1.4: U eff und Welligkeit beim Zweiweggleichrichter Außerdem berechnen wir den Formfaktor F = U u mit unseren Werten = 18.95V 16, 83V = 1, 126 6

7 ETM-Praktikum1 1.2 Dies entspricht ziemlich genau dem in den Praktikumsunterlagen angegebenen Wert von 1,11 für den Zweiweggleichrichter. Der Crest-Faktor ermittelt sich aus ξ = Spitzenwert Effektivwert = û U daraus ergibt sich mit unseren Messwerten ein Wert von: 26, 4V 18, 95V = 1, 39 dies stimmt recht genau mit dem theoretischen Wert für ξ = 2 = 1, 41 überein Strommessung Ziel In diesem Versuch untersuchen wir die Eigenschaft der Messgeräte nicht nur Spannugen sondern auch Strom zu messen. Untersucht wird die Strommessgenauigkeit des Fluke 23 und 87 und des Dreheisenmessgerätes. Durchführung Dieser Versuch wird wieder am Einweggleichrichter durchgeführt. Der Strom in den drei verschidenen Zweigen der Schaltung wird gemessen. Dazu werden die Messgeräte in Reihe geschaltet und in die zu untersuchenden Zweige eingebracht. Zusätzlich wurden auch der Eingang des Oszilloskop in den entsprechenden Zweig geschaltet. Der Versuchsaufbau ist der Abbildung 1.3 auf Seite 7 zu entnehemen. Abbildung 1.3: Schaltungsaufbau zur Strommessung Folgende Messwerte konnten von uns ermittelt werden: 7

8 ETM-Praktikum1 1.2 DMM DMM RMS Dreheisen Zweig I DC [ma] I AC [ma] I DC [ma] I AC [ma] I eff [ma] I eff [ma] A B C Tabelle 1.5: Stromwerte Auswertung Als erstes werden mit der schon bekannten Formel Effektivwert = I = I 2 2 DC + I AC die Effektivwerte berechnet. Als I DC und I AC verwenden wir die Werte des Fluke 87. DMM DMM RMS Dreheisen Zweig I DC [ma] I AC [ma] I DC [ma] I AC [ma] I eff [ma] I eff [ma] A , B C , Tabelle 1.6: Stromeffektivwerte Diese Ergebnisse können wir nun problemlos mit dem Effektivwert vergleichen, welchen das Dreheisenmessgerät von sich aus liefert, und stellen fest, dass die vom Dreheisenmessgerät gelieferten Werte nur um maximal 4 ma von den, auf der Basis des Fluke 87 errechneten Werten, abweichen. Deutlich zeigen sich hier aber auch die Schwächen des Fluke 23. 8

9 ETM-Praktikum Teil 2: Frequenzgang von Analog- und Digital-Multimetern Ziel Diese Versuchsanordnung dient dazu, zu erfahren, wie die verschiedenen Messgerätetypen auf unterschiedliche Frequenzen reagieren. Wir wollen untersuchen welche Fehler sich ergeben, wenn die Frequenz bei Wechselspannungssignalen sehr niedrig oder sehr hoch ist oder das Signal kein Sinus- sondern beispielsweise ein Dreieck- oder ein Rechtecksignal ist Durchführung Alle Meßgeräte, (Drehspul, Dreheisen, Digitalmultimeter und das Digitalmultmeter TRMS) werden parallel zum Funktionsgenerator geschaltet. Über das ebenfalls parallel geschaltete Oszilloskop überprüfen wir die anliegende Spannung, und halten sie konstant auf den vorgegebenen 6V ACSS. Abbildung 1.4: Schaltungsaufbau Frequenzgang Als erstes werden am Funktionsgenerator zwei Spannungen von 50 Hz, einmal eine Dreiecks- und eine Rechteckspannung, eingestellt und jeweils der angezeigte Wert aller vier Messgeräte schriftlich festgehalten. Danach werden Sinusspannungen gemessen, die Frequenzn werden von 10 Hz bis zu Hz in Schritten eingestellt. Jeweils für eine Frequenz werden sämtliche angezeigte Werte der Messgeräte festgehalten. Wir ermittelten folgende Werte: 9

10 ETM-Praktikum1 1.3 Drehspul Dreheisen DVM DVMRMS F[Hz] UAC[V] Fabs[V] Frel[V] UAC[V] Fabs[V] Frel[V] UAC[V] Fabs[V] Frel[V] UAC[V] 10 1,72-0,34-16,5% 2,1 0,04 1,9% 2,080 0,02 1,0% 2, ,14-6,5% 2,15 0,01 0,6% 2, ,2% 2, ,11-5,0% 2,1 0-0,2% 2, ,1% 2, ,12-5,5% 2,08-0,04-1,7% 2, ,1% 2, ,11-5,2% 1,88-0,23-10,9% 2, ,2% 2, ,08-3,8% 1,5-0,58-27,8% 2,050-0,03-1,3% 2, ,06-2,9% 1-1,06-51,4% 1,938-0,12-5,9% 2, ,09-4,4% - 1,534-0,56-26,6% 2, ,9-0,16-7,9% - 0,894-1,17-56,7% 2, ,9-0,15-7,2% - 0,377-1,67-81,6% 2, ,5-0,56-27,1% - 0,300-1,76-85,4% 2,059 Tabelle 1.7: Frequenzgang 10

11 ETM-Praktikum Auswertung Zunächst betrachten wir nur die Sinus-Signale und vernachlässigen die Dreieck- und die Rechteckspannung. Die Spannung über der Frequenz aufgetragen ergibt Grafik 1.5 auf Seite 11 Abbildung 1.5: Frequenzgang Deutlich sieht man dort, wie das Dreheisenmessgerät schon bei relativ geringen Frequenzen von 200 Hz keine korrekten Ergebnisse mehr ermittelt. Dies stimmt auch mit den Herstellerangaben überein, die für eine Spannungsmessung nur eine Frequenz bis 150 Hz vorgeben. Das nächste Messgerät, welches bei erhöhter Frequenz keine korrekten Messergebnisse mehr anzeigt, ist das Fluke 23, welches laut Herstellerangaben auch nur bis 1 khz angegeben ist. Bei dem Drehspulmessgerät Metrix, bei dem laut Herstellerangaben der Fehler nur bei exakt 50 Hz bei null liegt, liefert uns bis 50 KHz ein relativ konstantes Ergebnis(Abweichung laut technischen Daten 1%). Über 5 khz steigt, der prozentuale Fehler exponentiell an. Verwunderlich ist jedoch, dass nach dem Datenblatt der Fehler positiv sein sollte. Bei unseren Messungen ermittelten wir allerdings eine negative Abweichung. Auch fällt hier auf, dass die gelieferten Werte, auch in einem noch recht niedrigen Frequenzbereich (50Hz bis 200 Hz) um 0.1V von allen anderen abweichen. Unterhalb von 50 Hz fallen die Messwerte auch wieder gering vom Realwert ab. Mit Ausnahme des Drehspulgerätes, welches erheblich stärker einknickt. 11

12 ETM-Praktikum Zusammenfassung Dieser Versuch zeigt deutlich, dass wir den Messgeräten nicht blind vertrauen dürfen. Vielmehr muss beachtet werden, für unterschiedliche Aufgabe, auch unterschiedliche Messgeräte zu verwenden. Sei es, dass die Frequenz von den Haushaltsübliche 50 Hz stark abweicht, oder sei es weil das zu messende Signal nicht mehr einem sinusförmigen Verlauf hat, wie etwa bei Dreiecks- oder Rechteckssignale. Aber auch die Überlagerung von Gleich- und Wechselspannungen kann je nach Messgerät zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen, die natürlich nicht alle richtig sein können. 12

13 A Anhang (Geräteliste, Oszilloskopbilder) AEG WS-ME Metrix M x130 Seriennummer: A-Veff-Multizett FH-Inv.-Nr.: ABB Metrawatt Seriennummer: M Fluke 23 Multimeter Seriennummer: Fluke 87 III TRMS Multimeter Seriennummer: AA HameG Instruments 40 MHz Analogoszilloskop Seriennummer: HM404-2 Trenntrafo Philips Typ:

14 ETM-Praktikum

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