Versuch ET 3
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Fachhochschule Frankfurt FB 2: Bioverfahrenstechnik Versuch ET 3: Messbrücken Inhaltsverzeichnis 1. AUFGABE 5. VERSUCHSPROTOKOLL 2. GRÖSSEN, EINHEITEN UND INDICES 6. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 6.1 Vorbereitung 6.2 Widerstandsbestimmung (Tabelle, Uhr,Ohmmeter,Thomsonbrücke) 6.3 Brücken-Messung 1 6.4 Brücken-Messung 2 6.5 Versuchsende 3. GRUNDLAGEN 3.1 Brückenschaltungen 3.2 Widerstand (Resistor) 4. AUFBAU DER APPARATUR 4.1 Schaltbild 4.2 Geräte 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 GrößenDargestellte Größe Einheit zeichen GrößenDargestellte Größe zeichen Einheit A Querschnitt mm2 R Elektrischer Widerstand W d Durchmesser mm U Spannung V I Strom A J Temperatur °C l Länge m j relative Feuchte % P Leistung W r spezifischer elektrischer Widerstand Tol Toleranz W mm2/m % Tabelle 1 Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 1 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) Zeichen a,b d IEC E Dargestellter Index Abgriffspunkte DiagonalDIN/IEC Standard End- Zeichen r Dargestellter Index Referenz Rest Rest- S Start- Tab aus Tabelle IEC 62 best. ges Gesamt- U Umgebungs- K Klemm WU L Leerlauf- x unbekannt max Maximal- W mit Ohmmeter best. MB Messbereich ® am Lineal aufsteigend (0 - 1000)mm ML Messleitungs- ¬ am Lineal abfallend (1000 - 0)mm aus Widerstandsuhr best. Tabelle 2 3. GRUNDLAGEN 3.1 Brückenschaltungen 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 R1 bis R4 , die paarweise einen Spannungsteiler bilden und an der Brückenspeisespannung U liegen (s. Abb.1). Abb.1 Wheatstone-Messbrücke Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 2 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) An dem Widerstand R1 wird die Teilspannung U1 und am Widerstand R3 die Teilspannung U3 abgegriffen. U 1=U⋅ R1 R1R2 (1) U 3=U⋅ R3 R3R 4 (2) Die Differenz dieser Teilspannungen ergibt die in der Brückendiagonale zwischen den Punkten a und b liegende Diagonalspannung Ud: R 2⋅R3−R1⋅R 4 U d =U 3−U 1=U⋅ R1R2 ⋅ R3 R 4 (3) Die Brücke ist abgeglichen wenn U1 und U3 gleich sind, d.h. wenn die Diagonalspannung (Ud ) gleich Null ist. Dies ist der Fall, wenn der Zähler in Formel (3) gleich 0 wird. Es ergibt sich dann: R2⋅R 3=R1⋅R 4 (4) R2 =R1⋅R4 / 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. R2 ergibt sich dann nach voriger Formel. Schleifdraht-Messbrücke (nach Wheatstone) Bei der Schleifdrahtmessbrücke wird der untere Spannungsteiler durch einen Draht der Länge lges, mit dem konstanten Querschnitt A und dem spezifischen Widerstand r gebildet. Abb. 2 Schleifdraht-Messbrücke l ges =l 4l 3 (6) Mit dem Schleifer-Abgriff am Punkt b werden die Teilwiderstände R 3 und R4 eingestellt: Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 3 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) A R4 =l 4⋅ A (7) R3=l 3⋅ (8) R1 ist ein bekannter Widerstand und ungefähr so groß wie der zu messende Widerstand R2. 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 R2 herangezogen: R4 l 4 = R3 l 3 (9) l R X =R 2=R1⋅ 4 l3 (10) Thomson-Messbrück 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 10-7W 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/SpannungsVerhalten zeigen. Ihr Temperaturverhalten ist für ihre Verwendungsmöglichkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 4 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) Widerstandsmaterialien Material Leistungsbereich Material Leistungsbereich Metallschicht 0,6 bis 2 W Kohleschicht 0,33 W Präzisions- Metallschicht 0,25 W 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 @ 0W 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 106) vervielfältigt werden können. E 6 1,0 - - - 1,5 - - - - - - - - 2,2 - - - 3,3 - - - 4,7 - - - 6,8 - - - E 12 1,0 - 1,2 - 1,5 - - - - - - 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 - 1,3 - - 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 - E 48 100 - - - 105 - - - - 110 - - - 115 - - - 121 - - - 127 - - - 133 - - bis 953 E 96 100 - 102 - 105 - 107 - - 110 - 113 - 115 - 118 - 121 - 124 - 127 - 130 - 133 - - bis 976 - bis 988 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 E192 100 101 102 104 105 106 107 108 109 110 111 113 114 115 117 118 120 121 123 124 126 127 129 130 132 133 135 Tabelle 2 DIN/IEC Standardwerte (Auszug) 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 - - - - 1,00% 2% x100 x101 0* 1* 2* 0 1 - 1 TK25 TK50 - - - - 0,5% 0,25% 0,1% - - 5% 10% x104 x105 x106 - - - 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* - - 2 3 4 5 6 7 8 9 - - 2 3 4 5 6 7 8 9 - - - x102 x103 - - - Tabelle 3 Farbringe nach DIN IEC 62 "Fünfring" Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 - x10-1 x10-2 * (für "Vierring" fällt die 3. Ziffer weg) 5 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) 4. AUFBAU DER APPARATUR 4.1 Schaltbild Abb. 4 Schleifschichtmessbrücke nach Wheatstone 4.2 Geräte • Bauteile (Rx) Es sind fünf verschiedene Farbring codierte Schicht-Widerstände (Rx1 bis Rx5) einzusetzen. • Einstell-Lehre (Widerstandsuhr) zur Widerstandsbestimmung (RWU) Zur Bestimmung des Widerstandswertes nach DIN IEC 62 ist eine Widerstandsuhr einzusetzen. Abb. 5 Widerstandsuhr • Spannungsquelle (UK ) Es ist ein Konstanter wie in Versuch ET 1 einzusetzen. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 6 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) • Ohmmeter (RW ), Millivoltmeter als Nullindikator Es sind Digitalmultimeter einzusetzen. Genauigkeit der elektrischen Widerstandsmessung mit Metex M-3800 • • 200W: +/- (0,5% + 3 Digit) 2 kW bis 2 MW: +/- (0,5% + 1 Digit) 20 MW: +/- (1,0% + 2 Digit) Bei allen Messbereichen: Leerlaufspannung kleiner als 700 mV Widerstandsmessbrücke für kleine Widerstände (RMLges) Zur Widerstandsbestimmung der Messleitungen ist eine Thomson-Messbrücke zu verwenden. Referenzwiderstand (R1) Als verstellbarer Referenz-Widerstand ist eine sogenannte Widerstands-Dekade (R-Dekade) einzusetzten. Abb. 6 Widerstands-Dekade • Schleifschichtpotentiometer ( l4 , l3 ) Als Abgleich-Spannungsteiler ist ein Schleifschichtpotentiometer mit Lineal (l ges = 108mm) einzusetzten. Geräteart: Schleifschicht-Potentiometer Fabrikat: Typ: Einstellbereich: (0 bis 108)mm Auflösung: 0,5mm Baujahr: n.b. Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 7 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) • 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 ent sprechenden Bedienungsanleitungen zu entnehmen. Die Geräteliste ist Bestandteil des Messprotokolls. Versuchsbedingungen Umgebungsbedingungen: Raumklima Für Thomson-Messbrücke Leerlaufspannung: Strombegrenzung: UL(MLges) = 2V Imax(MLges) = 0,5A Für Messschaltung Leerlaufspannung: Strombegrenzung: UL = 2V Imax = ohne Begrenzung Abgleichbereich: l3 und l4 sinnvoll wählen; keine Überlastung der Schleifschicht ! Messprotokoll Allgemeine dingungen: J U,S und j U,S bei Versuchsstart Versuchsbe- R für beide Messleitungen + zwei Klemmen MLges J U,E und j U,E bei Versuchsende Messwerte-Tabelle Spalten: Nr ./ Farbringe // RTab / TolTab // RWU / TolWU / RW / Zeilen: Kopfzeile ohne Messbereich + 5 Zeilen Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 MBW // E // R1 / l4® / l3® / l4¬ / l3¬ 8 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) 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 UL erreicht ist 6.2 Widerstandsbestimmung (Tabelle, Uhr,Ohmmeter,Thomsonbrücke) Raumbedingungen ablesen und notieren (JU, S und jU, 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 (RML) mit Hilfe einer Thomson-Messbrücke bestimmen und notieren ges Schleifschicht-Messbrücke Schaltung exakt nach Schaltbild Abb. 4 aufbauen Keine Verbindung zur Stromquelle herstellen! R-Dekade auf geeigneten Wert (R1) 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: - ET3 9 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) Messbereich schrittweise reduzieren (Nachabgleich) Nach kurzer Wartezeit die Schleiferstellung (l4® ) ablesen und notieren Schaltung von der Stromquelle trennen ( beide Bananenstecker ziehen) Widerstand (Rx) 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 (JU, E und jU, 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, ansons ten 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: - ET3 10 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 ) 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 l3® und l4¬ nach Formel (6) und Rx nach Formel (10). Aus Rx® und Rx¬ ist der arithmetische Mittelwert zu bilden. Diagramme Es sind keine Diagramme zu erstellen. Fehlerrechnung Die Fehlerquellen sind abzuschätzen. Alle aus den Schleifschichtmessungen ermittelten Mittelwerte Rx 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 (RW) mit dem Digitalmultimeter und der Einfluss des Widerstandes der Messleitungen (RMLges) ist an einem Beispiel zu untersuchen. Interpretation Die Ergebnisse sind zu interpretieren und kritisch zu beleuchten. Anhang: Messprotokoll (testiertes Protokoll) Mess- und Elektrotechnik Labor: - ET3 11 / 11 Prof.Dr.-Ing.L.Billmann ( 01/16/2017 )
