1 Laboration 1. Bryggmätning

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "1 Laboration 1. Bryggmätning"

Ingrid Bengtsson
för 7 år sedan
Visningar:

1 1 Laboration 1. Bryggmätning 1.1 Laborationens syfte Att studera bryggmätningar av fysikaliska storheter, speciellt kraft och temperatur. 1.2 Förberedelser Läs in laborationshandledningen samt motsvarande avsnitt i kurslitteraturen. Gör förberedelseuppgifterna till laborationen. 1.3 Inledning Mätbryggor används för att omvandla givarens mätstorhet till en mätspänning. Bryggorna kan vara likspänningsmatade eller växelspänningsmatade. De kan bygga på balansmetoden, då obalansspänningen justeras till 0 V, eller obalansmetoden, då obalansspänningen blir proportionell mot mätstorheten. Bland de senare bryggkopplingarna skiljer man mellan kvarts-, halv- och helbryggor. Vi kommer att under laborationen använda likspänningsmatade kvartsbryggor och halvbryggor. Ofta är obalansspänningen ut från bryggan mycket liten - t ex någon mv. Då behöver den förstärkas innan den går vidare i mätkedjan. Under laborationen bör mätsignalen i vissa fall förstärkas. För detta ändamål fins en labförstärkare uppbyggd kring operationsförstärkare OP 07. Labförstärkaren är monterad på ett litet kretskort som kan placeras på kopplingsdäcket. Se figur 2. 8 Figur 1. Kopplingsschema för labförstärkaren. Resistansen R är 5,1 kω Justerskruv 19, NC 4, GND 5, IN+ 10, -15V 16, IN- 13, +15V 12, UT Figur 2. Labförstärkare med benfördelning Laborationer i Mätteknik 5

2 Labförstärkaren ger en förstärkning på 100 gånger. Eftersom vi matar den med +/-15 Volt betyder det att inspänningen inte behöver vara speciellt stor innan utsignalen når sitt största värde, som är ca +/- 14 Volt. Av figur 1 och 2 framgår hur labförstärkaren ska kopplas in. Efter det att den kopplats upp bör offsetinställningen justeras ( trimmas ). Det innebär att man kontrollerar att inspänningen 0 Volt ger utspänningen 0 Volt. Om så inte är fallet justerar man utspänningen till 0 Volt med justerskruven. Observera att labförstärkaren belastar bryggan ty dess inimpedans är inte oändlig! Undersök under laborationens gång hur stort fel detta skapar i obalansspänningen. I laborationsuppgifterna 1 och 2 är en förstärkning på 100 gånger för mycket. Utgången på labförstärkaren kommer att överstyras till +/- 15 Volt. Därför får du som förberedelseuppgift att dimensionera en kompletterande koppling till labförstärkaren som gör att förstärkningen i stället blir 10 gånger. 1.4 Laborationsuppgifter Obalansspänning i resistansbrygga Uppkoppling Koppla upp en resistansbrygga enligt figur 3. Anslut labförstärkaren till bryggan och mät obalansspänningen U med DVM. Mät dels obalansspänningen utan labförstärkare och dels med labförstärkaren inkopplad. Förstärkningen ska vara 10 gånger. - - R 2 Figur 3. Resistansbrygga. Samtliga resistanser R är 10 k Ω. Matningsspänningen ska vara 5 V DC. Resistansen i gren 2 kan således variera mellan 5 k Ω och 15 k Ω. Utförande Mät U för några olika inställningar på potentiometern. Välj enkla värden på R 2 som 14 k Ω, 13 k Ω,... 8 k Ω osv. Sammanställ mätresultaten i tabellen nedan. Resistans R 2 [k Ω] U utan labförstärkare [mv] U med labförstärkare [mv] Laborationer i Mätteknik 6

3 Jämför nu den uppmätta obalansspänningen med den teoretiskt beräknade för det fall då R 2 = 12 k Ω. Förklara eventuella skillnader Diskutera linjäriteten hos mätsystemet Temperaturmätning Teori Termistorn har negativ temperaturkoefficient. Dess resistans vid temperaturen 25 grader Celsius (dvs 298 Kelvin) är 10 k Ω inom vissa felgränser. Resistans-temperaturberoendet ges av ekvationen: R R 25 e β 1 T = - Termistorns parametrar är enligt tillverkaren: β = 3977 R 25 = 10kΩ (1) (2) Utförande Byt ut de tre resistorerna i gren 2 i figur 3 mot termistorn och mät obalansspänningen U. Använd labförstärkaren med förstärkningen 10 gånger. Obalansspänningen vid rumstemperatur: Rumstemperaturen var: Värm sedan termistorn med handen och studera hur obalansspänningen ändras. När stationärt tillstånd har uppnåtts avläses obalansspänningen. En varm hand har en hudtemperatur på ca 30 grader Celsius. Undersök med mätbryggan vem som har den kallaste handen. Kontrollera mätresultatet genom att ta varandra i hand och med känseln avgöra vem som har den kallaste handen. Beräkna sedan approximativt mätbryggans känslighet utifrån mätningen vid rumstemperatur och en av mätningarna av handens temperatur. Laborationer i Mätteknik 7

4 Obalansspänningen då termistorn värmdes med handen: Mätbryggans känslighet: Diskutera linjäriteten hos systemet: Mätning av kraft Utrustning Två trådtöjningsgivare är monterade på var sin sida av ett plattjärn. Givarna är kopplade i en mätbrygga enligt figur 4. Genom att ändra på en bygel kan givarna kopplas i kvartsbrygga eller halvbrygga. Med en tving kan plattjärnet spännas fast på instrumenthyllan ovanför labbordet. + 5 V G1 G2 U- U+ R1 R2 R V Bygel Potentiometer Figur 4. Mätbrygga med två trådtöjningsgivare. I läge 1-2 är endast givare G1 inkopplad, dvs bryggan är kopplad som en kvartsbrygga. I läge 2-3 är givare G1 och G2 inkopplade, dvs bryggan är kopplad som en halvbrygga. Uppkoppling Spänn fast plattjärnet på lämpligt ställe. Koppla in mätbryggan med trådtöjningsgivarna på kopplingsdäcket. Koppla enligt figur 4. Matningsspänningen ska vara 5 Volt. Nu behövs en förstärkning på 100 gånger hos labförstärkaren. Utförande: Kvartsbrygga Bygla så att du har en kvartsbrygga. Balansera bryggan med potentiometern. Belasta sedan bryggan med vikterna 50 g, 100 g, 150 g,... och avläs för varje belastning motsvarande obalansspänning. Gör en tabell över mätresultatet. Beräkna utifrån mätningen bryggans känslighet. Kvartsbryggans känslighet: Laborationer i Mätteknik 8

5 Diskutera linjäriteten hos kvartsbryggan: Utförande: Halvbrygga Bygla nu så att du har en halvbrygga. Gör samma mätningar som för kvartsbryggan. Halvbryggans känslighet: Diskutera linjäriteten hos halvbryggan: Diskutera resultaten. Gör en jämförelse mellan kvartsbryggan och halvbryggan i teorin och i praktiken. Fortsatta försök Studera hur trådtöjningsgivarnas temperaturberoende påverkar mätningarna, dels med kvartsbrygga och dels med halvbrygga. Värm givarna genom att antingen andas på dem eller genom att värma dem med handen. Laborationer i Mätteknik 9

6 1.5 Sammanfattning Många fysikaliska storheter kan omvandlas till elektriska storheter med någon känd fysikalisk princip. Under denna laboration användes givare vars elektriska resistans påverkas av temperaturen eller av töjning. Resistansbryggan användes för att detektera den obalansspänning som uppstår då resistansgivarna påverkas och förändrar sin resistans. Känsligheten hos bryggan ökar om matningsspänningen ökas. Matningsspänningen får dock inte väljas så hög att uppvärmningen av resistansgivarna ger försämrad noggrannhet. Termistorn har stor känslighet för temperatur men uppvisar olinjära egenskaper. Dess linjäritet kan förbättras om den parallellkopplas med en resistor men detta sker till priset av lägre känslighet. Temperaturen påverkar trådtöjningsgivaren. Genom att använda två eller flera trådtöjningsgivare i samma mätbrygga (halv- respektive helbrygga) kan temperaturberoendet till stor del elimineras. Växelspänningsmatade bryggor måste användas om givarna är i kapacitivt eller induktivt utförande. Laborationer i Mätteknik 10

Relevanta dokument

Laborationer i Mätteknik

1996-08-12 Laborationer i Mätteknik LULEÅ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Kvittens av laboration Kvittens av laboration Detta utgör laborantens bevis för utförd laboration (skriv namnteckning, personnummer, klass,