Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz

Transkript

1 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Versuch 4 Wechselspannungsbrücken Einleitung Zur Durchführung des Versuchs 4 ist das vorherige Erarbeiten der Kapitel 2.3, 2.4 sowie das Kapitel 7.2 des Vorlesungsskriptes Messtechnik erforderlich. Der Versuch ist in zwei Teilversuche gegliedert und soll die Schwierigkeiten bei der Bestimmung von komplexen Widerständen und der Messung nichtelektrischer Größen mit Messbrücken verdeutlichen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der genauen Messung realer Induktivitäten mittels Messbrücke. Dabei wird eine Abgleichmessbrücke bei Wechselspannung verwendet. Hierbei können ungeeignete räumliche Anordnungen oder Erdungen zu fehlerhaften Messergebnisse führen. Weiterhin verdeutlicht der Versuch anschaulich die problematische Einstellung der veränderlichen Impedanzen der Messbrücke. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Auswertung der Messsignale kapazitiver bzw. induktiver Sensoren zur Messung nichtelektrischer Größen. Hierbei handelt es sich um eine Ausschlagmessbrücke. 1. Grundlagen 1.1 Wechselstrombrücken Die Messung von Wechselstromwiderständen (komplexen Widerständen) erfolgt in der Praxis meistens mit Messbrücken. Dabei kommen heutzutage in erster Linie automatisch abgleichende Messbrücken mit digitaler Anzeige der Messwerte zum Einsatz. Der Versuch soll die Schwierigkeiten und Probleme bei der Entwicklung und Konstruktion von Messbrücken aufzeigen, gleichzeitig aber verdeutlichen, dass Messbrücken bereits mit einfachen Mittel realisierbar sind. Hierzu sind die Brücken eigenständig aufzubauen und von Hand abzugleichen. Hierdurch kann die Komplexität dieser Schaltungen selbst beurteilt werden. Zur Bestimmung von Wechselspannungswiderständen wird die Messbrücke als Abgleichmessbrücke betrieben. Der Abgleich ist erfolgt wenn gilt: Z 1 Z 2 = Z 3 Z 4 mit den Bezeichnungen aus Bild 1.1. Bild 1.1: Prinzip der Wechselspannungsmessbrücke

2 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Als Nullindikator dient ein Oszilloskop im X-Y Betrieb. Verglichen wird dabei die Speisespannung USp mit der Spannung in der Brückendiagonale. Im Abgleichfall ergibt sich eine waagerechte Gerade (bei entsprechenden Anschlüssen). Ist Z1 der unbekannte komplexe Widerstand, so kann nun sein Wert aus den anderen komplexen Widerständen berechnet werden. Zur Bestimmung von Induktivitäten ist eine Induktivitätsmessbrücke (Maxwell - Wien Messbrücke) zweckmäßig (Bild 1.2). Bild 1.2: Induktivitätsmessbrücke Die unbekannte Wechselspannungsimpedanz berechnet sich im Abgleichfall zu: R x = R 2 R 3 R 4 und L x = R 2 R 3 C 4 Zu beachten ist dabei, dass der gemessene ohmsche Wechselspannungswiderstand nicht gleich dem Gleichstromwiderstand sein muss. Aufgrund der Abgleichbedingungen ist das Ergebnis frequenzunabhängig. Da aber R x und L x frequenzabhängig ein können, erhält man bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Ergebnisse. Der Wagnersche Hilfszweig dient der Eliminierung von Störkapazitäten (siehe Kapitel 2.4 des Vorlesungsskriptes). Hierbei ist jedoch die Messbrücke selbst potentialfrei zu betreiben. Dies ist beim praktischen Aufbau des Versuches zu berücksichtigen. Es stehen Übertrager zur Verfügung. Bild 1.3: Übertrager 1.2 Phasenrichtige Gleichrichtung und Trägerfrequenzmessbrücke Die Ausgangssignale induktiver oder kapazitiver Sensoren können nur Wechselspannungssignale sein. Nachteilig dabei ist jedoch, dass Vorzeichenänderungen der zu messenden Größe nicht gleichzeitig zu Vorzeichenänderungen des Sensorsignales führen, sondern zu einer Phasenverschiebung um 180. Da aber die Information des Vorzeichens gewünscht ist, muss diese aus der Phaseninformation generiert werden. Hierzu verwendet man die phasenrichtige

3 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Gleichrichtung, die in der Messtechnik hauptsächlich in Trägerfrequenzmessbrücken eingesetzt wird. Diese speisen Brückenschaltungen mit einer Wechselspannung und zeigen die phasenempfindlich gleichgerichtete Brückenspannung (Diagonalspannung) an. Sie enthalten Einrichtungen zur Nullpunkts- und Verstärkungseinstellung sowie zum Phasenabgleich. Die Auswertung ohmscher Sensoren erfordert normalerweise keine Wechselspannung (siehe Grundlagen Messtechnik). Trotzdem wird bei sehr präzisen Messungen zur Vermeidung von Offsetspannungen wie Thermospannungen oder einer Nullpunktdrift des Verstärkers ebenfalls eine Trägerfrequenzmessbrücke eingesetzt. Bild 1.4: Induktiver Wegsensor mit Trägerfrequenzmessbrücke Bild 1.4 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Wegmessung mittels induktiver Sensoren. Dabei ist für x = 0 die Brücke abgeglichen. Bei einer Auslenkung tritt eine Diagonalspannung Um als Wechselspannung auf. Die Information über die Richtung der Wegänderung ist nur durch Auswertung der Phasenlage zu erhalten. Dabei kann die Speisespannung USp als Steuerspannung verwendet werden, da das Messsignal und die Speisespannung selbstverständlich die selbe Frequenz aufweisen. Die Diagonalspannung ist über einen Differenzverstärker zu messen. Da bei einer Trägerfrequenzmessbrücke nur Wechselspannungssignale verstärkt werden, bleiben der Gleichspannungsoffset der Verstärker oder die thermisch bedingte Drift ihrer Arbeitspunkte ohne Einfluss. Der Verstärker ist deshalb sehr unempfindlich gegen Störgrößen. Hat die Diagonalspannung die gleiche Phasenlage, wie die Speisespannung, so verhält sich der Schalter wie eine Diode. Im Unterschied zu einer Diode, ist hier jedoch der Einschaltaugenblick nicht mehr von der zu messenden Spannung abhängig, sondern über eine Änderung der Phasenlage frei einstellbar. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Wechselstrombrücke Aufgabenstellung Bauen Sie die Induktivitätsmessbrücke aus den vorhandenen Bauteilen entsprechend Bild 1.2 potentialfrei auf. Um die Potentialfreiheit zu gewährleisten stehe Ihnen zwei induktive Übertrager Bild 1.3 zur Verfügung mit denen sie zum einen den einseitig geerdeten

4 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Funktionsgenerator und zum anderen den Nullindikator (Oszilloskop) von der Messbrücke entkoppeln können. Es steht Ihnen ferner ein Steckbrett zur Verfügung in dem bereits die Widerstände R2, R3 und R5 eingebaut sind. Durch Steckverbindungen kann deren Größe gewählt werden zu: 100, 300, 1000 Je nach geschätzter Größe von R x und L x sind diese Widerstände zu wählen. Dabei kann auch bei nicht optimal gewählten Widerständen ein Abgleich erfolgen; jedoch wird sich die praktische Durchführung dann etwas schwieriger gestalten. Die Bauelemente Rx, Lx, R4, C4, R6, C6 sind extern anzuschließen. Beachten Sie bitte, dass für die Verbindungen koaxiale Messleitungen verwendet werden. Dies ist erforderlich, um äußere Störeinflüsse zu vermeiden. Weiterhin ist auf eine korrekte Erdung der Messleitungen zu achten. Als unbekannte reale Induktivität mit Rx und Lx steht eine aus Kupferdraht gewickelte Spule zur Verfügung. Die Spule kann mit und ohne Eisenkern betrieben werden. Als Speisespannung steht ein Generator zur Verfügung. Stellen sie die Ausgangsspannung auf eine Amplitude von ûa = 10 V ein. Bestimmen Sie zunächst die Werte Rx und Lx ohne Eisenkern (Luftspule) für die Frequenzen: 1000 Hz und 3000 Hz. Der Wagnersche Hilfszweig ist hierbei nicht zu verwenden. Anschließend bestimmen Sie dieselben Werte für den geschlossenen Eisenkreis. Wiederholen Sie die Versuche jeweils mit einem automatisch abgleichenden RCL- Messgerät. Messen Sie außerdem den Gleichspannungswiderstand der Kupferwicklung mit einem Multimeter. RGleich = Luftspule Frequenz R2 R3 R4 C4 Rx Lx Rx ref Lx ref 1000 Hz 3000 Hz Geschlossener Eisenkreis Frequenz R2 R3 R4 C4 Rx Lx Rx ref Lx ref 1000 Hz 3000 Hz Zur Verdeutlichung der Auswirkungen des Wagnerschen Hilfszweiges steht eine weitere kleine Luftspule zur Verfügung. Bauen Sie die Messbrücke mit Wagnerschen Hilfszweig auf und führen Sie bei 1000 Hz eine Messung mit und eine Messung ohne Wagnerschen Hilfszweig durch. Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem des automatisch abgleichenden RCL-Messgerätes. Kleine Luftspule bei 1000 Hz Hilfszweig R2 R3 R4 C4 Rx Lx Rx ref Lx ref ohne ****** ****** mit Auswertung Erläutern Sie die ermittelten Ergebnisse und beschreiben Sie den Einfluss des Wagnerschen Hilfszweiges.

5 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Trägerfrequenzmessbrücke Phasenrichtige Gleichrichtung Vorbereitung Überlegen Sie sich in der Versuchsvorbereitung einen Messaufbau (Messschaltung) mit dem Sie die Arbeitsweise einer Trägerfrequenzmessbrücke in Abhängigkeit vom der Amplitude und dem Phasenwinkel der Messspannung analysieren können. Es steht Ihnen ein Frequenzgenerator mit zwei steuerbaren Ausgangssignalen, ein Multimeter, ein Oszilloskop sowie ein steuerbare Schalter (Einweggleichrichtung) zur Verfügung. Aufgabenstellung Zunächst ist das Verhalten einer phasenempfindlichen Gleichrichtung zu untersuchen. Als Gleichrichter (Schalter) dient ein Transistor. Die erforderliche Integration zur Mittelwertbildung erfolgt durch die Messung der Wechselspannung U a im Gleichspannungsmessbereich eines Digitalmessgerätes. Das zu messende Signal um (t) wird als sinusförmiges Signal aus einem Frequenzgenerator zur Verfügung gestellt. Derselbe Generator erzeugt auch die Vergleichsspannung (hier: usp (t)) als Rechtecksignal, das zum Steuern des Schalters (Transistors) verwendet wird. Am Frequenzgenerator kann die Phasenverschiebung beider Signale zueinander eingestellt werden. Selbstverständlich müssen beide Signale die selbe Frequenz (hier f = 50 Hz) aufweisen. Sind beide Signale in Phase, so ist der Transistor genau während der positiven Halbschwingung leitend und während der negativen Halbschwingung gesperrt. Damit entspricht der Transistor dem Verhalten einer Diode. Durch Veränderung der Phasenlage auf 180 schaltet nun der Transistor genau während der negativen Halbschwingung durch und verhält sich damit wie eine zum vorherigen Fall umgepolte Diode. Beide Zustände sind einzustellen und auf dem Oszilloskop darzustellen. Speichern Sie das Ergebnis. Es ist anschließend der Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung ua für 3 Fälle zu messen: a) ua = f(um) für = 0 und (um ist von 0 V bis 10 V zu variieren) b) ua = f(um) für = 60 (um ist von 0 V bis 10 V zu variieren). c) ua = f( ) für um = 10 V (hier ist von 0 bis 180 zu variieren). Erläutern und bewerten Sie in Ihrem Bericht die Ergebnisse Untersuchung einer Trägerfrequenzmessbrücke mit induktivem Wegaufnehmer An einem praktischen Beispiel entsprechend Bild 1.4 soll die in aufgebaute Schaltung für eine Wegmessung eingesetzt werden. Das Steuersignal ist nun aus der Speisespannung der Messbrücke zu generieren. Hierzu steht ein Differenzverstärker und die Möglichkeit einer Phasenverschiebung zur Nullpunkteinstellung zur Verfügung. Stellen sie am Widerstandsteiler (Potentiometer) zunächst den Nullpunkt ein und anschließend die Phasenlage. Nehmen Sie nun für den gesamten Wegbereich das Messsignal (Gleichspannungsanteil) auf und überprüfen Sie es bezüglich der Linearität.

6 Labor Messtechnik II Versuch 4 Stolle/Lassahn/Dreetz Zweiweggleichrichtumg Durch Verwendung zweier unterschiedlicher Transistoren ist es möglich, dass während der negativen Halbschwingung der Signalspannung ein zweiter Transistor die Signalspannung mit umgekehrten Vorzeichen durchschaltet und so zu einer Zweiweggleichrichtung führt. Wiederholen Sie die Messungen (Gleichspannungsanteil) für die Zweiweggleichrichtung und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den in ermittelten Werte.