TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/13 S1. SÄHKÖISIÄ PERUSMITTAUKSIA Osa A: Yleismittarit. 1. Työn tavoite 2. Teoriaa Tutustutaan tärkeimpään sähköiseen perusmittavälineeseen, yleismittariin, suorittamalla laboratoriossa olevilla erityyppisillä yleismittareilla jännitteen ja virran mittauksia sekä tasa- että vaihtosähköpiireissä. Jännitteen mittaus. Mittaus suoritetaan käyttämällä yleismittaria jännitemittarina. Mittari kytketään niiden kahden pisteen välille, joiden välinen jännite halutaan mitata. Volttimittari kytketään siis mitattavan jännitteen rinnalle kuvan mukaisesti: DVM I DVM V V U x V 0 U R R V 0 V 1.2008 Kuva 1. Jännitteen mittaus. Huom! Tasajännitettä mitattaessa pitää kytkeä mittarin napaisuus oikein. Muistisääntö: Musta = Maa = Miinus ja Punainen = Pitkä viiva = Plus. Tasajännitelähde + V + V 1.2008 Kuva 2. Tasajännitteen mittauksen napaisuus. Virran mittaus. Mittaus suoritetaan käyttämällä yleismittaria virta- eli ampeerimittarina. Ampeerimittari kytketään aina sarjaan sen virtapiirin osan kanssa, jonka läpi kulkevaa virtaa halutaan mitata. Virtapiiri ikäänkuin katkaistaan ja virtamittari asetetaan väliin. HUOM! Aina kun mitataan virtaa, on varmistuttava parista seikasta.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/13 Mitattavassa piirissä on aina oltava ampeerimittarin lisäksi jotain muuta kuormitusta (vastusta; kts. kuvaa), koska virtamittari ei kestä suurta virtaa. Toiseksi ampeerimittarin mittausalueen maksimiarvoa ei saa ylittää. Ellei etukäteen tiedä edes likimain mitattavan virran suuruutta, on aloitettava käyttämällä suurinta mittausaluetta (3-10A). Sitä pienennetään sitten asteittain mahdollisimman herkäksi, kun on saatu virran likimääräinen suuruus selville. I I R DVM A 0 A 10A Kuva 3. Virtamittaus. I I V 5.2002 Mittareista yleensä Yleismittari on luonteeltaan joko viisarilla varustettu osoittava analogiamittari tai numeerinen eli digitaalimittari. Analogiamittarin viisari kääntyy mitattavaan suureeseen verrannollisen kiertymiskulman ja mitattavan suureen arvo luetaan viisarin alla/takana olevalta asteikolta. Asteikkoja on yleensä useita päällekkäin eri mittausalueita ja suureita varten. Niistä on valittava oikea lukeman ottamiseksi. Digitaalimittari antaa mittaustuloksen suoraan desimaalilukuna ja mittausarvon yksikkö riippuu mittausalueen valinnasta. Joissakin digitaalimittareissa riittää valita mitattava suure (AC tai DC ja jännite tai virta) ja kytkeä johtimet oikeisiin liittimiin. Mittari säätää sitten mittausalueen automaattisesti sopivaksi ja näyttää mittaustuloksen yksikköineen. Eräät mittarit voidaan liittää suoraan tietokoneeseen. Analogiamittarit. Oppilaitoksen analogiamittarit ovat toimintaperiaatteeltaan kiertokäämimittareita. Kiertokäämimittarin olennaiset osat ovat kestomagneetti, sen aiheuttamassa magneettikentässä kiertymään pääsevä johdinkäämi (kiertokäämi) ja siihen liitetty kiertymistä vastustava jousi. Kestomagnetti on yleensä sijoitettu käämin ulkopuolelle, mutta myös käämin sisällä olevaa sydänmagneettia voidaan käyttää. Kun käämin kautta kulkee virta, se kiertyy magneettikentässä pyrkien kääntymään magneettikenttää vastaan kohtisuoraan. Käämiin kiertymissuunta on riippuu virran suunnasta. Yleensä viisarin nolla-asento on asteikon toisessa laidassa, joten tutkittava
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/13 virta on kytkettävä mittariin oikealla napaisuudella. Jousi vastustaa käämin kiertymistä ja pysäyttää viisarin tiettyyn virran voimakkuuteen verrannolliseen asentoon. F S B N F V 1.2008 Kuva 4. Kiertokäämimittarin periaatekuva. Mittarien rakenteesta johtuen magneettivuon tiheys on käämin koko liikkuma-alueella itseisarvoltaan vakio ja kohtisuorassa käämin magneettimomenttia vastaan. Tämän seurauksena vääntömomentti on suoraan verrannollinen virtaan ja osoittimen kiertymiskulma on täten muotoa: Φ = k I, missä I on sähkövirta ja k mittarille ominainen kerroin. Näin mittarin asteikko on tasajakoinen. Kiertokäämimittari on siis luonteeltaan tasavirtamittari. Työssä käytettävät kiertokäämimittarit soveltuvat silti myös vaihtosähkömittauksiin, sillä niissä on sisäänrakennettu tasasuuntaustoiminta. Yleisohjeita analogiamittareiden käyttöön: varmista mittarin oikea käyttöasento (useimmin vaakasuorassa pöydällä). tarkista, että mittari on nollattu oikein eli viisari on nollan kohdalla, kun mittaria ei ole kytketty. tarkista, onko tarkoitus mitata jännitettä (U, V) vai virtaa (I, A). Selvitä sitten, onko kyseessä tasa- vai vaihtosähkömittaus. Merkinnät DC (= Direct current ) ja (tai == tai - - - ) tarkoittavat tasasähköä sekä AC (= Alternating current ) ja ~ (tai tai ~ ) vaihtosähköä. arvioi mitattavan suureen suuruusluokka. Mikäli sitä ei ole mahdollista arvioida, valitse aina riittävän suuri mittausalue (300 V tai 10 A). Lukemat tarkoittavat aina suurinta näyttämää. Kun tiedät mitattavan suureen suuruusluokan, vaihda mittausalueeksi mahdollisimman herkkä. Merkitse mittausalue muistiin. varmista, että kytket mittajohtimet oikeisiin napoihin. katso lukema oikeasta suunnasta: viisarin ja sen peilikuvan on oltava samassa tasossa, muuten syntyy ns. parallaksivirhettä. LUE OIKEALTA ASTEIKOLTA ja HAVAITSE OIKEA KERTALUKU (ts. oikea yksikkö)!
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/13 Digitaalimittarit. Digitaalisen yleismittarin toimintaperiaate lyhyesti on seuraava. Tutkittava jännite tai virta varaa mittarissa kondensaattorin ja se puretaan muokkauksen jälkeen. Purkamiseen kuluva aika mitataan tarkalla oskillaattoripiirillä. Kulunut aika on verrannollinen tutkittavaan jännitteeseen tai virtaan. Sen arvo näytetään numeroina. Vaikka digitaalimittarilla mittaaminen on tietyssä mielessä helpompaa laitteen itse osoittaessa napaisuuden ja joskus valitsemalla jopa sopivan mittausalueen, kannattaa silti suhtautua tietyllä vakavuudella ja kriittisyydellä sen antamiin tuloksiin. C Sisäänmeno Muokkaus Integrointi Laskenta Oskillaattori ja ohjaus Näyttö V 1.2008 Kuva 5. Digitaalimittarin lohkokaavio. 3. Työn suoritus 4. Lisäkirjallisuus Tutustutaan valvojien antamiin kahteen yleismittariin, analogiseen ja digitaaliseen. Molemmilla mittareilla mitataan yksi tasa- ja yksi vaihtojännite sekä yksi tasavirran arvo. Havainnot ja laskut voidaan merkitä liitteenä olevaan taulukkoon. Mittareiden tyyppi- ym. tiedot on merkittävä muistiin ja mittaritarkkuustaulukosta otetaan selvää, mitä valmistajat ilmoittavat mittarien tarkkuudeksi eri tyyppisissä mittauksissa. Tarkkuustietojen avulla lasketaan mituille suureille virheiden ylärajat. Mahdollinen havaintovirhe lisätään virheeseen. Tulos pyöristetään virheen tarkkuuteen ja lopputulos kirjoitetaan sille varattuun paikkaan lomakkeessa. Verrataan eri mittarien antamia tuloksia toisiinsa. Tulosten luotettavuutta ja mahdollisten erojen syitä pohditaan omissa huomioissa. Varsinaista matemaattista virhetarkastelua ei tehdä. Lisätietoja sähkömittaustekniikasta haluaville suositellaan esim. kirjoja Tapaninen, Sähkömittaustekniikka, WSOY Voipio, Sähkömittaustekniikka, Otakustantamo
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/13 S1. SÄHKÖISIÄ PERUSMITTAUKSIA Osa B: Oskilloskooppi. 1. TEORIAA Oskilloskooppi on laite, joka muuttaa sähköisen signaalin näkyvään muotoon. Useimmiten sillä tarkastellaan toistuvaa ilmiötä kuten värähtelyaaltoa. Oskilloskoopilla voidaan myös tarkkailla staattista tai hitaasti muuttuvaa jännitettä. Oskilloskoopin kuvaruudulta voidaan suoraan mitata ainoastaan jännite- tai aikaeroja. Virtaa voidaan mitata epäsuorasti johtamalla se kulkemaan tunnetun vastuksen läpi ja mittaamalla vastuksessa tapahtuva jännitehäviö. Virran arvo lasketaan sitten Ohmin laista. Aiemmin oskilloskoopit olivat katodisädeputkeen perustuvia analogisia laitteita (ks. kuva 1), mutta nykyään ne ovat useimmiten digitaalisia. Tarkastellaan seuraavassa katodisädeputken toimintaa, koska digitaalisten oskilloskooppien toiminta ulkoapäin katsoen on samankaltaista, vaikka tekninen toteutus on erilainen. y-levyt elektronisuihku fluoresoiva varjostin x-levyt V 5.2002 Kuva 1. Katodisädeputki. Kuvassa 2 on esitetty elektronin ohjautuminen kahden yhdensuuntaisen varatun levyn sähkökentässä. Siihen kohdistuu vain y-suuntainen sähköinen voima F = ee, jossa e = alkeisvaraus ja E kentän voimakkuuden suuruus. y poikkeutuslevyt V 5.2002 Kuva 2. Elektroni kahden yhdensuuntaisen levyn välisessä sähkökentässä. Voima vaikuttaa koko levyjen pituuden ajan ja elektronit kulkevat kentässä parabelirataa. Kentän jälkeen rata jatkuu suorana. Oskilloskoopin kuvaputkessa elektroneja poikkeutetaan tällaisilla levypareilla sekä vaaka- (x) että pystysuunnassa (y). Siihen, kuinka paljon elektronisuihku poikkeaa alkuperäisestä suunnastaan, vaikuttaa elektronien nopeus ja kentän voimakkuus. Elektronien nopeus taas riippuu kiihdytysjännitteestä ja kentän voimakkuus levyjen sijainnista ja jännitteestä. Katodisädeputkessa
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/13 elektronit kiihdytetään suurjännitteellä ja niitä ohjataan x- ja y-poikkeutuslevyjen sähkökentän avulla. oskilloskooppi ja sen tärkeimmät säätimet 2T time/div trig Fluoresoivalle varjostimelle syntyy valaistu täplä siihen kohtaan, johon elektronisuihku osuu. Pisteen sijainti varjostimella on verrannollinen x- ja y-levyille johdettuihin jänniteisiin. Tällöin oskilloskooppia käytetään xy-toiminnassa, ikään kuin xypiirturina. funktiogeneraattori volts/div ch 1/x mode ch 2/y volts/div f Kuva 3. Oskilloskoopin periaatekuva. V 5.2002 Tavallisemmin oskilloskoopin valopistettä poikkeutetaan x-suunnassa tasaisesti nousevalla ns. pyyhkäisy- eli ramppijännitteellä, joka x- levyille johdettuna poikkeuttaa kuvapistettä kuvaruudun vasemmasta reunasta oikeaan sillä nopeudella, joka on valittu pyyhkäisynopeusvalitsimella Time/div. Oikeaan reunaan saavuttuaan piste palautetaan takaisin vasempaan reunaan niin nopeasti, ettei paluujuovaa näy. Jotta kuva piirtyisi aina samaan kohtaan kuvapinnalla, pyyhkäisyjännite täytyy tahdistaa ulkoisen, y-poikkeutusta ohjaavan jännitteen kanssa. Tämä tapahtuu ns. liipaistun pyyhkäisyn avulla. Siinä periaatteena on, että pyyhkäisyjännitte alkaa nousta hetkellä, jolloin ulkoinen jännite saavuttaa tietyn Level -säätimellä valittavan arvon (a). Lisäksi pitää vielä synkronoida pyyhkäisy tutkittavan signaalin taajuuden kanssa, jotta valopiste piirtäisi joka pyyhkäisyllä käyrän samalle kohdalle kuvaruudulla ja voidaan tarkastella hyvinkin suurtaajuisia pulsseja niiden pysyessä täysin paikoillaan kuvaruudulla. Synkronointi tapahtuu Trigger -säätimen avulla. Puhutaan liipaistusta tai synkronoidusta pyyhkäisystä eli tahdistuksesta. Tällöin oskilloskooppia käytetään ns. aikapoikkeutuksella. Tutkittava jännite kytketään ohjaamaan valopistettä y- suunnassa, jolloin se piirtyy ajan funktiona oskilloskoopin kuva-pinnalle. Oskilloskoopissa on kaksi identtistä kanavaa (kuvassa 2 ch1/x ja ch2/y ). xy-toimintamoodissa x-jännite kytketään kanavalle 1 ja y-jännite kanavalle 2. Tällöin Time/div -säädin asetetaan asentoon x-y. Kun käytetään aikapyyhkäisyä, molemmille kanaville voidaan kytkeä jännitteet, joita voidaan tarkastella joko erikseen tai yhtä aikaa Mode -valinnasta riippuen. Kuvassa 4 on esitetty liipaistun pyyhkäisyn periaate. Kun tutkittava jännite U y saavuttaa liipaisujännitteen arvon a, pyyhkäisy alkaa. Aikana t 0 -t 1 kuvapiste siirtyy ku-
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/13 varuudun vasemmasta reunasta oikeaan ja piirtää pätkän a-b tutkittavasta käyrästä. Kuvan uudelleen piirtämiseksi elektronisuihku palaa takaisin vasempaan reunaan. Tämä tapahtuu aikana t 1 -t 2. Silloin suihkun intensiteetti on niin pieni, ettei paluujälkeä näy kuvaruudussa. Kun tutkittava jännite saavuttaa uudelleen liipaisujännitteen arvon a käyrän nousevalla osalla, alkaa kuvan piirtäminen uudestaan samaan kohtaan. Kun tämä sykli toistuu, kuvaruudussa nähdään häiriötön, paikallaan pysyvä kuva. Uy liipaisujännite Tutkittava jännite T 0 a a' a" t b b' b" Ux +U 2 0 -U 2 t 0 t 1 t 2 x-levyjen ramppijännite paluupulssi t a b Kuvaruudulla näkyvä kuva V 5.2002 Kuva 4. Liipaistun pyyhkäisyn periaate. Time/div -kytkimessä olevat aika-arvot kertovat, kauanko kuvapisteen kestää kulkea yhden jakovälin ( div eli division ) välinen matka. Kuvan pystyherkkyyttä säädetään kiertokytkimellä, jonka tekstinä on Volts/div. Lukemat siinä yhteydessä kertovat, montako ulkoisen jännitteen volttia yksi jakoväli vastaa pystysuunnassa. Jakovälien pituudet ovat 1 cm, joten käytännössä aikayksikkönä on ajan monikertoja/cm ja pystyherkkyydet ovat voltin monikertoja/cm. Valinta on aina merkittävä muistiin. Kuvan kirkkautta ja tarkkuutta säädetään säätimillä Intensity ja Focus. Lisäksi oskilloskoopissa on kytkimet, joilla valitaan toimintamoodi ( Mode ). Liipaisujännite voidaan valita oskilloskoopin sisältä tai ulkopuolelta kytkettäväksi. Oskilloskooppi on laite, jolla on hyvin suuri sisäänmenoimpedanssi ja niinpä sitä ei voi rikkoa sähköisesti (ylisuuria jännitteitä lukuunottamatta). Näinollen opiskelijat
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 8/13 2. TYÖN SUORITUS voivat huoletta kokeilla oskilloskoopin säätimien vaikutusta kuvan muotoon, paikkaan ja liikkeisiin. Työn tässä osassa havainnot ja laskut sekä tehdyt huomiot ja päätelmät kirjataan tutkijan työkirjaan. 2.1.Tasajännitteen mittaus: y OSKILLOSKOOPPI time/div trig x-y ch1/x mode ch2/y volts/div x volts/div tasavirtalähde DC V 5.2002 Kuva 5. Tasajännitteen mittaus oskilloskoopilla Kuvassa 5 olevalla kytkennällä voidaan mitata tuntemattoman tasajännitteen suuruus. xy-moodissa johdetaan jännite joko vaakasuunnassa tapahtuvaa mittausta varten X -sisäänmenoon tai vastaavasti pystysuunnassa Y -sisäänmenoon. Kun valitaan aikapyyhkäisy, voidaan valita kumpi tahansa kanava. Kummassakin kanavassa on sisäänmenokytkin asennossa DC (DC = direct current = tasavirta). Signaalin nollakohta (origo) valitaan aluksi maadoittamalla signaali kytkimen asennolla GND ja siirtämälla valopiste- tai viiva halutulle kohdalle nuolisäätimillä ( tai ). Nollataso kannattaa tasajännitteitä mitattaessa sijoittaa usein johonkin muualle kuin kuvaruudun keskelle, esim. kuvaruudun alalaitaan. Näin voidaan seuraavaksi valita poikkeutusherkkyys suuremmaksi (mahdollisimman pieni Volts/div-lukema) siten, että piste poikkeaa kuvaruudulla nollatasostaan mahdollisimman paljon menemättä kuitenkaan sen ulkopuolelle. Signaalien suuruuksia voidaan lukea kuvaruudulta millin, parin tarkkuudella, joten suurella herkkyydellä saadaan parempi mittauksen suhteellinen tarkkuus kuin epäherkällä valinnalla. Kuvaruudulta voidaan sen jälkeen mitata ruudukon avulla, kuinka pitkä matkan tuntematon jännite poikkeuttaa kuvapistettä tai viivaa. Kuvaruudun jakovälien pituus 1 cm on lukemisen tarkentamiseksi jaettu viiteen pikkuväliin. Kun mitattu pituus kerrotaan poikkeutusherkkyydellä Volts/div, saadaan jännite. Mitataan kahden tasajännitteen suuruus ensin joko x- tai y-suunnassa ja sitten aikapyyhkäisyllä ja lopuksi digitaalimittarilla. Mitattavat tasajännitelähteet voivat olla paristoja tai verkkokäyttöisistä tasavirtalähteitä. Sekä oskilloskoopilla että digitaalimittarilla jännitteet pyritään valitaan mahdollisimman tarkka mittausalue. Oskil-
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 9/13 loskoopilla mitattujen arvojen tarkkuudet arvioidaan poikkeutusherkkyyden ja lukutarkkuuden perusteella ja digitaalimittarilla luetun arvon virhe lasketaan mittarin tarkkuustietojen avulla. Tuloksia verrataan keskenään. 2.2. Vaihtojännitteen mittaus: Mittauskytkentä on kuvassa 6. Jännitelähteeksi valitaan funktiogeneraattori, jonka taajuutta ja signaalin muotoa voidaan muuttaa. Mittaukset tehdään siniaallolla, mutta muita aaltomuotoja voidaan vilkaista. Taajuus säädetään niin suureksi, että kuva ei enää vilku (vähintään n. 100 Hz). Sisäänmenokytkin asetetaan DC-asentoon. Oskilloskoopin kuvaruudulla nähdään nyt jana, jonka pituus on 2 kertaa huippujännite (nollasta huippuun) eli 2 u H. Kuvan 4 jännite piirtyy siinä vaakasuorassa suunnassa koko ajan samaan kohtaan. Tehollinen jännite saadaan jakamalla huippujännite luvulla 2. Mitataan kuvaruudulta määrätyn vaihtojännitteen suuruus huipusta huippuun (alimmasta korkeimpaan kohtaan, jos signaali on kytketty Y- eli 2-kanavalle tai vaakasuunnassa vasemmalta oikealle, jos on valittu X- eli 1-kanava). Lasketaan siitä tehollinen jännite. Jännite mitataan myös digitaalimittarin avulla. Molemmat mittaukset tehdään mahdollisimman tarkasti. Saatuja tuloksia verrataan keskenään. OSKILLOSKOOPPI time/div trig 2u p x-y ch1/x mode volts/div volts/div ch2/y vaihtovirtalähde AC V 5.2002 Kuva 6. Vaihtojännitteen mittaus oskilloskoopilla Vaihdetaan sitten xy-moodi aikapyyhkäisyksi, jolloin kuvaruudulla nähdään siniaalto. Kokeillaan eri pyyhkäisynopeuksien vaikutusta kuvaan. Mitataan kuvasta kahden eritaajuuksisen signaalin jaksonajat T, (jakson pituus aikapyyhkäisyherkkyys), joista lasketaan signaalien taajuudet:. Verrataan tuloksia funktiogeneraattorin näyttämään taajuuksiin. Kirjataan, miten generaattorin taajuuden muuttaminen vaikuttaa kuvaruudulla nähtävään kuvaan. Havaitaan, miten aikapyyhkäisyherkkyys vaikuttaa kuvaruudulta tehtävien ajan mittauksien tarkkuuteen. Lopuksi säädetään generaattorin taajuus suunnilleen arvoon 50 khz ja mitataan vaihtojännitteen suuruus sekä oskilloskoopin että digitaalimittarin avulla, kummallakin mahdollisimman tarkkaan. Mitä huomataan verrattaessa eri tavoin mitattuja vaihtojännitteen arvoja?mistä mahdollinen ero johtuu?
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 10/13 S1. SÄHKÖISIÄ PERUSMITTAUKSIA Osa C: Sähkönsiirron tehokkuus. 1. Työn tavoite Työn tarkoituksena on havainnollistaa sitä, miksi sähköenergian siirrossa suurjännitteen käyttö on edullisempaa kuin matalan jännitteen käyttö, ja miten suurempi piirin virta kuluttaa enemmän tehoa kuin pienempi virta. 2. Teoriaa Energialaitosten generaattoreilla tuotetaan jännitteitä, jotka ovat suuruudeltaan luokkaa 6 kv 20 kv. Nämä jännitteet muunnetaan suurjännitteeksi 110 kv, 230 kv tai 400 kv, joka yhdistetään valtakunnan sähköverkkoon siirrettäväksi kulutusalueille pääosin teräsvahvisteisilla alumiinijohtimilla. Kulutusalueilla jännite alennetaan arvoon 10 kv 20 kv. Vasta paikallisilla muuntajilla lähellä kuluttajaa suurjännite muunnetaan 230 V jännitteeksi. Näin menettelemällä voidaan energiansiirron hyötysuhde pitää hyvänä. Kuva 1 esittää virran I yksinkertaistettua kulkua energialaitokselta kuluttajalle. Energialaitoksella jännite on U laitos ja sieltä lähtevä teho on Plaitos = UlaitosI. Siirtojohtojen kokonaisresistanssi on R johto ja P johto on johdoissa kuluva hukkateho. Kulutuspisteessä jännite on U laite (= U laitos U johto, missä U johto on johdossa tapahtuva jännitehäviö) ja kulutuspisteeseen saapuva teho on Plaite = UlaiteI = P laitos P johto. Taloudessa tehoa kuluttavien laitteiden kokonaisresistanssia on merkitty tunnuksella R laite. Vakiovirta I kulkee koko piirin läpi. Jännitteet ja virrat ovat tässä tehollisarvoja. Hyötysuhde η on perille saadun tehon suhde voimalaitokselta lähtevään tehoon: (1) Nähdään, että hyötysuhde voidaan laskea suoraan perille saatavan ja laitokselta lähtevän jännitteen suhteena.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 11/13 Kuva 1. Virran kulku energialaitokselta talouksiin Työssä käytetään matalia tasajännitteitä, mutta edellä esitetty hyötysuhteen tarkastelu säilyy samana. Kahteen eri laitteeseen tuodaan perille yhtä suuri teho, ja mitattavista jännitteistä lasketaan hyötysuhteet. Laitteiden resistanssit ovat huomattavan erilaiset, jolloin suurempaa vastusta käytettäessä piirissä kulkeva virta on paljon pienempi kuin pienen vastuksen tapauksessa. Nimenomaan virran suuruus kuluttaa tehoa: mitä suurempi virta, sen suurempi tehohäviö johtimissa tapahtuu. 3. Työn suoritus Mittauksissa käytetään kuvan 2 mukaista kytkentää. Energialaitosta vastaa tasajännitelähde, kulutuspistettä vastus R laite ja pitkiä voimalinjoja vastaa kuparikaapelikela, jonka kokonaisresistanssi on R johto. Kytkentä on rakennettu puiselle kytkentäalustalle, johon on valmiiksi kiinnitetty johtokela, 2 kpl kulutuspisteitä edustavia vastuksia ja johtimien kytkentäpisteet. Työn aluksi ennen kytkennän täydentämistä vastusten ja johdinkelan resistanssit mitataan yleismittarilla. Sitten alustaan kytketään lisäksi jännitelähde ja jännitemittari. Valvoja pyydetään tarkastamaan kytkentä ennen kuin jännitelähde kytketään päälle. Kuvaan on piirretty havainnollisuuden vuoksi kaksi jännitemittaria, mutta käytännössä mittaukset suoritetaan yhdellä mahdollisimman tarkalla digitaalimittarilla. Mittarin negatiivinen tuloliitin kytketään pisteeseen 0 ja positiivinen tuloliitin vuorotellen pisteeseen 1 tai 2. Mittauspisteet on merkitty kytkentälevyyn ja kuvaan 2. A. Ensin käytetään tehon kuluttajana resistanssiltaan suurempaa vastusta R laite,1. Piiriin kytketään säädettävästä tasajännitelähteestä jännitteeksi n. 12 V tasajännite, joka on tämän työn korkeajännite. Mitataan jännitteet U laite ja U laitos. Lasketaan teho P laite,1.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 12/13 Kuva 2. Mittauskytkentä (tärkeätä: jännitemittaukset tehdään yhdellä mittarilla!) B. Seuraavaksi lasketaan, kuinka suuri jännite laitteeseen 2 on saatava perille, jotta sen saama teho olisi sama kuin laitteen 1 teho:,,,,. (2) Virrat I 1 ja I 2 ratkaistaan Ohmin laista ja sijoitetaan yo. lausekkeeseen: Tällöin tehojen yhtäsuuruus saavutetaan ehdolla. (3),,,. (4), Tästä ratkaistaan tarvittava jännite,,,,. (5) Vaihdetaan tehon kuluttajaksi resistanssiltaan pienempi vastus R laite,2 ja kytketään jännitemittari siihen. Säädetään jännitelähteen ( sähkölaitoksen ) jännite sellaiseksi, että mittarista luettava laitteen jännite U laite,2 on suunnilleen lausekkeesta (5) laskettu jännite. Merkitään mittaustulos muistiin ja sitten mitataan laitoksen jännite U laitos,2. Lasketaan teho P laite,2. C. Lasketaan kohdissa A ja B suoritetuista mittauksista hyötysuhteet η 1 ja η 2 yhtälöstä (1) ja piireissä kulkeneet virrat I 1 ja I 2 lausekkeesta (3). Verrataan tuloksia toisiinsa: mitä voidaan sanoa energian siirron tehokkuuksista ja virroista? D. Lasketaan johtokelan resistanssi käyttäen kohdissa A ja B mitattuja jännitteiden arvoja kaavasta
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 13/13 4. Kirjallisuus Ulaitos Ulaite (6) Rjohto =. I Laske lisäksi johtokelan resistanssi käyttäen kuparin resistiivisyyttä kaavasta ρcul (7) Rjohto =, A missä ρ Cu on kuparin resistiivisyys ( = 1,673 µω cm), A on johdon poikkileikkauksen pinta-ala ja l on johdon pituus. Johdon pituus (tai massa, jonka avulla johtimen pituus lasketaan) sekä halkaisija ovat luettavissa kytkentälevystä tai johtokelasta. Kahta mittaustuloksista laskettua ja johtokelan ominaisuuksista laskettua resistanssin arvoja verrataan toisiinsa. Mistä mahdolliset erot voisivat johtua? Inkinen, Pentti Manninen, Reijo Tuohi, Jukka. 2006. Momentti 2, Insinöörifysiikka. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, ss. 42-43, 81-82 ja 88-89