Es ist eine Messbrücke zur Widerstandsbestimmung zu verwenden und dabei ihre Funktion zu untersuchen.

Transkript

1 Fachhochschule Frankfurt FB 2: Bioverfahrenstechnik Versuch ET 4: Messbrücken Inhaltsverzeichnis 1. AUFGABE 2. GRÖSSEN, EINHEITEN UND INDICES 3. GRUNDLAGEN 3.1 Brückenschaltungen 3.2 Widerstand (Resistor 4. AUFBAU DER APPARATUR 4.1 Schaltbild 4.2 Geräte 5. VERSUCHSPROTOKOLL 6. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 6.1 Vorbereitung 6.2 Widerstandsbestimmung (Tabelle, Uhr,Ohmmeter,Thomsonbrücke 6.3 Brücken-Messung Brücken-Messung Versuchsende 7. VERSUCHSAUSWERTUNG 1. AUFGABE Es ist eine Messbrücke zur Widerstandsbestimmung zu verwenden und dabei ihre Funktion zu untersuchen. Zur Einrichtung der Messbrücke sind zuvor Widerstandswerte mit Hilfe der Farbkodierung und Messung mit einem Multimeter zu bestimmen. Der Einfluss der Messleitungen auf die Widerstandsbestimmung ist zu untersuchen. Dazu ist der Messleitungswiderstand mit einer Thomson-Messbrücke zu bestimmen. 2. GRÖSSEN, EINHEITEN UND INDICES Dargestellte Größe Einheit Größenzeichen Größenzeichen Dargestellte Größe A Querschnitt mm 2 R Elektrischer Widerstand Einheit d Durchmesser mm U Spannung V I Strom A ϑ Temperatur C l Länge m ϕ relative Feuchte % P Leistung W ρ spezifischer elektrischer Widerstand Tabelle 1 Ω Ω mm 2/ m Tol Toleranz % Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 1 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

2 Zeichen Dargestellter Index Zeichen Dargestellter Index a,b Abgriffspunkte r Referenz d Diagonal- Rest Rest- IEC DIN/IEC Standard S Start- E End- Tab aus Tabelle IEC 62 best. ges Gesamt- U Umgebungs- K Klemm WU aus Widerstandsuhr best. L Leerlauf- x unbekannt max Maximal- Ω mit Ohmmeter best. MB Messbereich am Lineal aufsteigend (0-1000mm ML Messleitungs- am Lineal abfallend (1000-0mm 3. GRUNDLAGEN 3.1 Brückenschaltungen Tabelle 2 Brückenschaltungen werden in der Elektro-, Nachrichten-, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik häufig verwendet. Es können sowohl passive wie auch aktive Bauelemente enthalten sein. Grundsätzlich handelt es sich dabei um gemischte Schaltungen. Anwendungen sind z.b.: Messung von Flüssigkeitswiderständen Messung von Erdungswiderständen Widerstandsthermometer Bestimmung von Kapazitäten Bestimmung von Induktivitäten Abgleich-Widerstandsmessbrücke Eine Abgleich-Widerstandsmessbrücke ist nur aus Widerständen aufgebaut. Sie wird zum Messen von unbekannten Widerständen eingesetzt. Ihr Vorteil gegenüber anderen Messverfahren liegt in der hohen erzielbaren Genauigkeit. Dies wird allein durch die Verwendung von Präzisionswiderständen erreicht. Wheatstone-Messbrücke Die erstmals von Wheatstone 1843 zum Messen eines Widerstands verwendete Brückenschaltung enthält die vier Widerstände R 1 bis R 4, die paarweise einen Spannungsteiler bilden und an der Brückenspeisespannung U liegen (s. Abb.1. Abb.1 Wheatstone-Messbrücke Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 2 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

3 An dem Widerstand R 1 wird die Teilspannung U 1 und am Widerstand R 3 die Teilspannung U 3 abgegriffen. U 1 =U R 1 R 1 R 2 (1 U 3 =U R 3 R 3 R 4 (2 Die Differenz dieser Teilspannungen ergibt die in der Brückendiagonale zwischen den Punkten a und b liegende Diagonalspannung U d : U d =U 3 U 1 =U R 2 R 3 R 1 R 4 R 1 R 2 R 3 R 4 (3 Die Brücke ist abgeglichen wenn U 1 und U 3 gleich sind, d.h. wenn die Diagonalspannung (U d gleich Null ist. Dies ist der Fall, wenn der Zähler in Formel (3 gleich 0 wird. Es ergibt sich dann: R 2 R 3 =R 1 R 4 (4 R 2 =R 1 R 4 /R 3 (5 Zur Messung wird z.b. R 2 durch den gesuchte Widerstand ersetzt. Es ist mindestens ein Widerstand einstellbar, so dass die Brücke abgeglichen werden kann. R 2 ergibt sich dann nach voriger Formel. Schleifdraht-Messbrücke (nach Wheatstone Bei der Schleifdrahtmessbrücke wird der untere Spannungsteiler durch einen Draht der Länge l ges, mit dem konstanten Querschnitt A und dem spezifischen Widerstand ρ gebildet. Abb. 2 Schleifdraht-Messbrücke l ges =l 4 l 3 (6 Mit dem Schleifer-Abgriff am Punkt b werden die Teilwiderstände R 3 und R 4 eingestellt: Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 3 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

4 R 3 =l 3 A (7 R 4 =l 4 A (8 R 1 ist ein bekannter Widerstand und ungefähr so groß wie der zu messende Widerstand R 2. Zwischen den beiden Spannungsteiler-Abgriffen a und b befindet sich als Nullindikator ein Messwerk mit hoher Empfindlichkeit und sehr hohem Innen-Widerstand. Dieses Messwerk soll anzeigen, ob die beiden Punkte a und b potentialgleich sind. Zeigt es Potentialgleichheit, ist die Brücke abgeglichen. Das dazugehörige Verhältnis der Brückenwiderstände, die Abgleichbedingung, wird zur Bestimmung des unbekannten Widerstandes R 2 herangezogen: Thomson-Messbrück R 4 R 3 = l 4 l 3 (9 R X =R 2 =R 1 l 4 l 3 (10 Um bei der Messung sehr niedriger Widerstände Messfehler infolge von Übergangs- und Messleitungswiderständen zu vermeiden, sind diese in der so genannten Vierleitertechnik anzuschließen. Abb. 3 Thomson-Messbrücke Mit der Thomson-Messbrücke lassen sich Widerstände bis zu 10-7 Ω messen. Infolge der gewählten Vierleiterschaltung gehen die Übergangs- und Messleitungswiderstände nicht in das Messergebnis ein. 3.2 Widerstand (Resistor Widerstände sind die zahlreichsten Bauelemente in der Elektronik. Sie bestimmen vielfach infolge ihrer Anzahl die Zuverlässigkeit einer Schaltung. Der ideale Widerstand ist Träger eines rein reellen Widerstandswertes. Bei Anlegen einer Spannung wird elektrische Energie in thermische Energie umgesetzt. Man spricht von linearen Widerständen (ohmsche Widerstände wenn sie ein lineares Strom/Spannungs- Verhalten zeigen. Ihr Temperaturverhalten ist für ihre Verwendungsmöglichkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 4 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

5 Widerstandsmaterialien Material Leistungsbereich Material Leistungsbereich Metallschicht 0,6 bis 2 W Kohleschicht 0,33 W 0,25 W Präzisions- Metallschicht Hochlast-Niederohm 4 bis 7 W Metallglasur 0,5 bis 0,7 W Draht 0,75 bis 17 W Metalloxid 1,5 bis 4 W Drahtbrücken 0Ω vd. Tabelle 1 Widerstandsmaterialien mit Leistungsbereich DIN/IEC Standardwerte Da Widerstände nicht in allen möglichen Werten hergestellt werden können, werden bestimmte Werte nach so genannten E-Reihen produziert und angeboten. Die E-Nummer gibt die Anzahl der verfügbaren Ziffern wieder, die mit entsprechenden Multiplikatoren (10-2 bis 10 6 vervielfältigt werden können. E 6 1, , , , , , E 12 1,0-1,2-1, ,8-2,2 2,4 2,7-3,3-3,9-4,7-5,6-6,8-8,2 - E 24 1,0-1,1-1,2-1, ,5 1,6 1,8 2,0 2,2-2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 E E E Tabelle 2 DIN/IEC Standardwerte (Auszug bis 953 bis 976 bis 988 Farbkennzeichnung nach DIN/IEC 6 Meistens werden Wert und Toleranz eines Widerstandes durch Farbringe nach DIN IEC 62 angegeben. schw. braun rot oran. gelb grün blau viol. grau weiß gold silber TK25 TK ,00% 2% - - 0,5% 0,25% 0,1% - - 5% 10% x10 0 x10 1 x10 2 x10 3 x10 4 x10 5 x x10-1 x10-2 0* 1* 2* 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* Tabelle 3 Farbringe nach DIN IEC 62 "Fünfring" * (für "Vierring" fällt die 3. Ziffer weg Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 5 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

6 4. AUFBAU DER APPARATUR 4.1 Schaltbild Abb. 4 Schleifschichtmessbrücke nach Wheatstone 4.2 Geräte Bauteile (R x Es sind fünf verschiedene Farbring codierte Schicht-Widerstände (R x1 bis R x5 einzusetzen. Einstell-Lehre (Widerstandsuhr zur Widerstandsbestimmung (R WU Zur Bestimmung des Widerstandswertes nach DIN IEC 62 ist eine Widerstandsuhr einzusetzen. Abb. 5 Widerstandsuhr Spannungsquelle (U K Es ist ein Konstanter wie in Versuch ET 1 einzusetzen. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 6 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

7 Ohmmeter (R Ω, Millivoltmeter als Nullindikator Es sind Digitalmultimeter einzusetzen. Genauigkeit der elektrischen Widerstandsmessung mit Metex M Ω: +/- (0,5% + 3 Digit 2 kω bis 2 MΩ: +/- (0,5% + 1 Digit 20 MΩ: +/- (1,0% + 2 Digit Bei allen Messbereichen: Leerlaufspannung kleiner als 700 mv Widerstandsmessbrücke für kleine Widerstände (R MLges Zur Widerstandsbestimmung der Messleitungen ist eine Thomson-Messbrücke zu verwenden. Referenzwiderstand (R 1 Als verstellbarer Referenz-Widerstand ist eine sogenannte Widerstands-Dekade (R-Dekade einzusetzten. Abb. 6 Widerstands-Dekade Schleifschichtpotentiometer ( l 4, l 3 Als Abgleich-Spannungsteiler ist ein Schleifschichtpotentiometer mit Lineal (l ges = 108mm einzusetzten. Geräteart: Fabrikat: Typ: Einstellbereich: Auflösung: Baujahr: Schleifschicht-Potentiometer (0 bis 108mm 0,5mm n.b. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 7 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

8 Messleitungen Als elektrisch leitende Verbindung der Schaltungselemente sind Messleitungen mit beidseitig angebrachten Bananensteckern" (d = 4mm zu verwenden. Für die Schaltungsseite, die dem Pluspol zugewandt ist, sind rote Messleitungen zu benutzten. Für die Schaltungsseite, die dem Minuspol zugewandt ist, sind schwarze Messleitungen zu benutzten. 5. VERSUCHSPROTOKOLL Als Ergebnis der Versuchsdurchführung ist ein Versuchsprotokoll zu erstellen, dass die Basis für eine nachfolgende Versuchsdurchführung und -auswertung darstellt. Einleitende Angaben hierzu sind der Versuchsname, das Versuchsdatum und die Namen der Teilnehmer, um bei Rückfragen geeignete Ansprechpartner finden zu können. Geräteliste Es ist eine tabellarische Geräteliste anzufertigen, wie dies in den Richtlinien und allgemeinen Hinweisen zum Labor beschrieben ist. Gerätebezogene Größen, die nicht im Kapitel 4.2. aufgeführt sind, sind den entsprechenden Bedienungsanleitungen zu entnehmen. Die Geräteliste ist Bestandteil des Messprotokolls. Versuchsbedingungen Umgebungsbedingungen: Für Thomson-Messbrücke Leerlaufspannung: Strombegrenzung: Für Messschaltung Leerlaufspannung: Strombegrenzung: Abgleichbereich: Raumklima U L(MLges = 2V I max(mlges = 0,5A U L = 2V I max = ohne Begrenzung l 3 und l 4 sinnvoll wählen; keine Überlastung der Schleifschicht! Messprotokoll Allgemeine Versuchsbedingungen: ϑ U,S und ϕ bei Versuchsstart U,S R MLges für beide Messleitungen + zwei Klemmen ϑ U,E und ϕ U,E bei Versuchsende Messwerte-Tabelle Spalten: Zeilen: Nr./ Farbringe // R Tab / Tol Tab // R WU / Tol WU / R Ω / MB Ω // E // R 1 / l 4 / l 3 / l 4 / l 3 Kopfzeile ohne Messbereich + 5 Zeilen Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 8 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

9 6. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 6.1 Vorbereitung U/I-Konstanter nach ET 1, Abb.12 Netzschalter hinten links (Power auf "0" stellen Alle Stellknöpfe am Konstanter auf den linken Anschlag stellen (Minimum Netzanschlussstecker (230V in Schutzkontaktdose stecken Netzschalter hinten links (Power auf "I" stellen Stellknopf Ampere" auf Stromstärke-Maximum stellen (rechter Anschlag Stellknöpfe Coarse" (grob und Fine" verstellen, bis am eingebauten Messinstrument V" die gewünschte Leerlaufspannung U L erreicht ist 6.2 Widerstandsbestimmung (Tabelle, Uhr,Ohmmeter,Thomsonbrücke Raumbedingungen ablesen und notieren (ϑ U, S und ϕ U, S Farbringe bestimmen und notieren Wert und Toleranz der unbekannten Widerstände bestimmen (Tabelle und notieren Werte mit einer Widerstandsuhr überprüfen und notieren Werte mit einem Ohmmeter überprüfen und notieren Einer E-Reihe zuordnen (Tabelle und diese notieren Den Widerstand der beiden Messleitungen zusammen mit zwei Klemmen (R MLges mit Hilfe einer Thomson-Messbrücke bestimmen und notieren Schleifschicht-Messbrücke Schaltung exakt nach Schaltbild Abb. 4 aufbauen Keine Verbindung zur Stromquelle herstellen! R-Dekade auf geeigneten Wert (R 1 einstellen und diesen notieren Am Potentiometer den Schleifer ungefähr auf den zu erwartenden Abgleich-Bereich voreinstellen Größten Messbereich am Messgerät einstellen Schaltung vom Betreuer abnehmen lassen 6.3 Brücken-Messung 1 Messgeräte einschalten Schaltung mit Stromquelle verbinden Messgeräte beobachten! Bei Ungewöhnlichen Anzeigen: Schaltung sofort trennen! Null-Abgleich durchführen Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 9 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

10 Messbereich schrittweise reduzieren (Nachabgleich Nach kurzer Wartezeit die Schleiferstellung (l 4 ablesen und notieren Schaltung von der Stromquelle trennen ( beide Bananenstecker ziehen Widerstand (R x austauschen Achtung: Dekaden-Widerstand anpassen! Wieder größten Messbereich am Messgerät einstellen Abgleich wie vor Messprotokoll auf Vollständigkeit prüfen 6.4 Brücken-Messung 2 Schleifschichtanschlüsse vertauschen (um 180 drehen Weiter wie bei Messung 1 aber hier Schleiferstellung l 3 ablesen und notieren Messprotokoll auf Vollständigkeit prüfen Raumbedingungen ablesen und notieren (ϑ U, E und ϕ U, E Messprotokoll vom Betreuer auf Richtigkeit prüfen lassen 6.5 Versuchsende Alle Stellknöpfe am Konstanter auf Minimum stellen Konstanter ausschalten (Power auf "0" Netzstecker ziehen. Schaltung abbauen Geräte und Messleitungen wegräumen Messprotokolle vom Betreuer testieren lassen 7. VERSUCHSAUSWERTUNG Der Versuchsbericht ist nach den Regeln, die im Kapitel 2 des Informationsblatts "Elektrotechnik Praktikum, Richtlinien und allgemeine Hinweise" aufgeführt sind, zu verfassen. Gemäß der Gliederung im Kapitel 2.2 ist der Versuchsbericht unter Berücksichtigung der folgenden Hinweise und Hilfen zusammenzustellen. Deckblatt mit Inhaltsverzeichnis und verwendetem Schaltbild Verwendetes Schaltbild ist nur neu zu zeichnen, wenn von der Versuchsanleitung abgewichen wird, ansonsten kann eine Kopie eingeklebt bzw. datentechnisch eingebunden werden. Geräteliste Es ist die bei der Versuchsdurchführung erstellte Geräteliste mit evtl. Ergänzungen in eine neue Tabelle zu übertragen. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 10 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012

11 Verwendete Größen, Einheiten und Indices Verwendete Größen, Einheiten und Indices sind nur aufzuführen, wenn von der Versuchsanleitung abgewichen wird, ansonsten kann eine Kopie eingeklebt bzw. datentechnisch eingebunden werden. Verwendete Formeln und Konstanten Verwendete Formeln und Konstanten sind nur aufzuführen, wenn von der Versuchsanleitung abgewichen wird, ansonsten kann eine Kopie eingeklebt bzw. datentechnisch eingebunden werden. Ausführliches Berechnungsbeispiel Es ist jeder Rechengang der Versuchsauswertung durch eine Beispielrechnung zu protokollieren. Aus der Messwert-Tabelle sind nur die Größen einer Zeile (gleiche Zeilen-Nummer für die Beispielrechnung zu verwenden. Auswerteprotokoll Die gemessenen Werte sind mit sämtlichen daraus berechneten Größen in einer Tabelle zusammenzufassen! Für die Berechnung sind folgende Hinweise zu berücksichtigen: Die gerätebezogenen Größen sind den Gerätebeschreibungen im Kapitel 4.2 bzw. der selbst verfassten Geräteliste zu entnehmen. Berechnet werden l 3 und l 4 nach Formel (6 und R x nach Formel (10. Aus R x und R x ist der arithmetische Mittelwert zu bilden. Diagramme Es sind keine Diagramme zu erstellen. Fehlerrechnung Die Fehlerquellen sind abzuschätzen. Alle aus den Schleifschichtmessungen ermittelten Mittelwerte R x werden mit den durch den Farbcode angegebenen Werten verglichen. Dazu wird die Abweichung prozentual ermittelt und unter Berücksichtigung der Genauigkeit der Längenablesung am Lineal die Einhaltung der angegebenen Toleranz überprüft. Die Genauigkeit der Widerstandsbestimmung (R Ω mit dem Digitalmultimeter und der Einfluss des Widerstandes der Messleitungen (R MLges ist an einem Beispiel zu untersuchen. Interpretation Die Ergebnisse sind zu interpretieren und kritisch zu beleuchten. Anhang: Messprotokoll (testiertes Protokoll Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET2 11 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 05/21/2012