Загальні методичні вказівки до лабораторних робіт

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 3Следующая ⇒

ЗМІСТ

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Мета виконання даних лабораторних робіт – закріпити теоретичні знання з електроматеріалознавства; вивчити методи випробувань і визначити характеристики електрорадіоматеріалів відповідно до державних стандартів; набути вмінь та навичок організації та проведення випробувань, аналізу та оцінки одержаних результатів.

Виконання кожної роботи передбачає проведення експери­ментальних досліджень відповідно до завдання, опрацювання результатів, формулювання висновків, оформлення звіту та захист виконаної роботи.

У процесі підготовки до роботи студенти повинні попередньо ознайомитися з методичними вказівками, вивчити необ­хідні теоретичні. В результаті підготовки студенти повинні чітко уявляти мету роботи, її завдання, знати методику розрахунків, обладнання та методи вимірювань, фізичні особливості досліджуваних явищ та характер очікуваних результатів,

На початку заняття викладач контролює якість самостійної підготовки. Студенти, які не підготувалися відповідно до вимог, до виконання лабораторної роботи не допускаються.

Складання схем студенти повинні проводити при вимкненому живленні. Після перевірки правильності з’єднань викладач дає дозвіл на ввімкнення. Крім того, викладач контролює хід роботи та її результати.

При опрацюванні експериментальних даних слід аналізувати результати спостережень і можливість їх використання в інженерній роботі за фахом.

Звіт про роботу повинен містити: мету роботи; принципову або структурну схему лабораторної установки; алгоритми числових розрахунків; перелік проведених досліджень, вказавши необхідні відомості про конфігурацію електродів; параметри елементів схеми; результати досліджень у вигляді таблиць, графіків; аналіз результатів; загальні висновки по роботі.

Текст звіту слід оформляти на листах формату А4 або на подвійних листках в клітинку з зошиту. Графіки можна будувати на міліметровому папері з чітким нанесенням експериментальних точок. Рисунки, таблиці, графіки, схеми та умовні позначення слід виконувати у відповідності з єдиною системою конструкторської документації (ЄСКД).

На першому занятті студенти повинні пройти інструктаж з техніки безпеки при роботі в даній лабораторії. Після ознайомлення з інструк­цією кожний студент повинен розписатися в журналі реєстрації інструктажів з охорони праці. При обслуговуванні високовольтних електроустановок повинен бути виключений доступ до струмоведучих частин, що знаходяться під напругою. Недоступність забезпечується надійною ізоляцією, застосуванням захисних огороджень неізольованих струмоведучих частин або розміщенням їх на значній висоті, а також блокуванням.

Виконання дослідів в лабораторії при високій напрузі вимагає великої уваги та суворого виконання вимог з техніки безпеки:

- заборонено працювати з високовольтними установками одній людині;

- працювати за високовольтними установками слід стоячи на ізоляційному килимку;

- до ввімкнення високої напруги всі огородження повинні бути надійно зачиненими;

- категорично заборонено здійснювати перемикання у високовольтній частині схеми, замінювати або поправляти електроди під напругою;

- високовольтна установка повинна знаходитися під напругою тільки протягом часу, необхідного для проведення випробувань та вимірювань;

- напруга повинна бути негайно вимкнена при сумнівах у правильності проведення досліду – при цьому слід проаналізувати результати спостережень;

- у випадку несподіваного припинення подачі електроенергії необхідно негайно вимкнути вимикачі на розподільному щиті та залишатися на робочому місці, чекаючи розпорядження керівника роботи.

МЕТОДИКА ОПРАЦЮВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ЛАБОРАТОРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Підготовка електроізоляційних матеріалів до промислових випробувань

Випробування електроізоляційних матеріалів проводиться після їх попередньої підготовки, яка передбачає усунення впливу навко­лишнього середовища та стабілізацію властивостей самого матеріалу. Підготовка полягає в проведенні нормалізації та кондиціювання.

Нормалізація – попередня обробка зразків твердих електроізоляційних матеріалів протягом певного часу та за певних умов. Нормалізація полягає у витримці зразків протягом 24 годин при температурі 50 °С та відносній вологості не більше 20 %.

Кондиціювання – вторинна (після нормалізації) обробка зразків у встановлених умовах протягом необхідного часу з метою стабілізації властивостей матеріалу.

Умови нормалізації, кондиціювання та випробувань визначаються стандартами на відповідний електроізоляційний матеріал.

При нормалізації, кондиціюванні та випробуваннях повинен забезпечуватися вільний доступ навколишнього середовища до зразків. Зразки не повинні торкатися один одного та стінок відповідної камери. Якщо кондиціювання проводиться в рідині, а випробування будуть проводитись на повітрі, то залишки рідини збираються фільтрувальним папером або тканиною.

Час між кондиціюванням та випробуванням зразків не повинен перевищувати 5 хвилин. Якщо температури при підготовці та випробуваннях є різними, то необхідно довести температуру зразка до випробувальної і деякий час витримати його при цій температурі.

Результати випробувань, отримані при різних умовах, за допомо­гою перевідних коефіцієнтів та відомих закономірностей приво­дяться до стандартних (еталонних) умов (температура 20 °С, відносна вологість повітря 65 %, атмосферний тиск 760 мм рт. ст.).

Оформлення результатів промислових випробувань

Результати вимірювань, одержані при проведенні випробувань електротехнічних матеріалів, заносять в книгу випробувань, яка повинна знаходитись в лабораторії або на випробувальній станції.

Крім цього, оформляється протокол випробувань в якому вказуються загальні та спеціальні відомості.

Загальні відомості:

- опис матеріалу – назва, сорт, колір, застосування, підприємство-виробник та інше;

- дата одержання та випробування;

- умови нормалізації та кондиціювання зразків – умови зберігання та випробування, попередня сушка, час витримки в атмосфері з відповідною відносною вологістю, температурою та інше;

- форма та розміри зразків, тип, розміри та матеріал електродів;

- температура зразка або проби рідини, відносна вологість повітря, тривалість випробування;

- вимірювальні прилади та опис установки для вимірювань.

В протоколі випробувань містяться спеціальні відомості, зумов­лені призначенням та методом випробування, а також особ­ливостями матеріалу, вказується дата випробувань та перелік осіб, які брали участь у випробуваннях. Протокол підписується керівником та безпосередніми виконав­цями, що проводили випробування.

Оцінка похибок вимірювань

Характеристики електротехнічних матеріалів можуть бути виз­начені експериментально через вимірювання однієї або декількох фізичних величин.

Результати окремих вимірювань при випробуваннях електро­технічних матеріалів отримують з систематичними та випадковими похибками, зумовленими неоднорідністю матеріалу досліджуваних зразків, похибками засобів вимірювань, зміною умов випробувань тощо. Для виключення систематичних похибок вживають спеціальні заходи для усунення причини появи цих похибок, або введенням відповідних поправок.

Випадкові похибки виключити з результатів вимірювань неможливо, але їх оцінюють при повторних вимірюваннях тієї ж величини та наступній статистичній обробці результатів.

Основні положення методики статистичної обробки результатів випробувань електротехнічних матеріалів встановлені відповідними документами.

Похибка, виражена в одиницях вимірюваної величини, називається абсолютною:

,

де – абсолютна похибка; – результат вимірювання; – дійсне значення вимірюваної величини.

Крім абсолютної, на практиці користуються відносною похибкою

.

Похибка вимірювання охоплює систематичну та випадкову складові

.

Систематична складова похибки при повторних вимірюваннях залишається постійною або змінюється з певною закономірністю. Випадкова складова при повторних вимірюваннях змінюється непередбачувано. Для зменшення систематичної складової похибки викори­стовують декілька незалежних методів вимірювання, які базуються на різних фізичних явищах.

Для зменшення випадкової складової похибки прямого вимірювання величини виконують аналогічних вимірювань, результати спостережень яких рівні х _i (і =1,2,..., n).

Оцінку результату вимірювання знаходять з виразу

,

де – середнє арифметичне результатів спостережень.

Дисперсія похибки визначається за формулою:

,

а незміщена оцінка середньоквадратичного відхилення випадкової складової похибки – з виразу

.

Наведені оцінки є точковими.

Значення вимірюваної величини та дисперсії похибки можуть також оцінюватися за допомогою довірчих інтервалів. Визначення довірчого інтервалу для істинного значення

,

де – гранична похибка, визначається з використанням розподілу випадкової величини

.

При нормальному розподілі похибки величина розподілена за законом Ст’юдента з ступенями вільності. Граничні значення величини , що відповідають рівню значимості , де – довірча ймовірність, та числу ступенів вільності . Обчислення довірчих границь в більшості випадків проводять з довірчою ймовірністю . За значеннями та знаходять і визначають границі довірчого інтервалу, використовуючи вираз

.

У більшості випадків значення фізичної величини може бути одержане за результатами прямих вимірювань інших величин , за відомою залежністю .

Оскільки кожна з величин виміряна з похибкою , то похибка вимірювання величини залежить як від значень , так і від виду функції .

Оцінка систематичної складової похибки величини , виміряної опосередкованим методом, може бути здійснена за формулою

.

Частинні похідні називають коефіцієнтами впливу відпо­відних похибок. Для обчислення граничної похибки опосередкованих ви­мірювань користуються виразом

,

де – гранична похибка результату опосередкованого вимірювання;

– граничні похибки результатів прямих вимірювань.

Випадкова складова похибки опосередкованих вимірювань може бути визначена за формулою

,

де – випадкова складова результату опосередкованого вимірювання;

– випадкові складові похибок прямих вимірювань величин .

Оцінку дисперсії випадкової складової похибки опосередкованих вимірювань обчислюють згідно виразу:

,

де і – дисперсії похибок і .

При довірчій імовірності граничне значення похибки буде рівним .

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Мета роботи

Вивчити фізичні основи електропровідності діелектриків, методику вимірювання опорів та експериментально визначити питомі об'ємний та поверхневий опори діелектриків.

В результаті виконання лабораторної роботи студент повинен знати види провідностей в твердих діелектриках та по їх поверхні, методи вимірювання об'ємного та поверхневого опорів, вміти експериментально визначати об'ємний та поверхневий питомі опори твердих діелектриків.

Рисунок 1.1 – Розміщення електродів для вимірювання опорів діелектриків

Питомий об’ємний електричний опір ρ_V діелектрика визначають за формулою

[Ом∙м], (1.2)

де R_V – об’ємний електричний опір зразка, Ом;

S – площа електроду 1, м²;

h – товщина зразка діелектрика, м.

Питомий поверхневий електричний опір розраховують за формулою

[Ом], (1.3)

де R_S – електричний опір поверхні зразка діелектрика між електро­дами 1 та 2, Ом;

D₁ – діаметр електрода 1, м;

D₂ – внутрішній діаметр електрода 2, мм.

Об'ємний та поверхневий питомі опори ізоляційних матеріалів залежать від температури, вологості, тривалості дії та форми напруги, наявності домішок тощо.

Рисунок 1.2 – Електрична схема вимірювання об’ємного опору діелектриків

Рисунок 1.3 – Електрична схема вимірювання поверхневого опору діелектриків

Опір визначають за формулою

, (1.4)

де U – напруга джерела, В;

n ₀ – шунтове число;

– відхилення покажчика гальванометра, поділок;

C_g – постійна гальванометра, А/поділку.

Вимірювання об'ємного опору

1 Скласти електричне коло для вимірювання об'ємного опору та розмістити досліджуваний зразок між електродами згідно рисунка 1.2.

2 Після перевірки схеми викладачем ввімкнути освітлювач гальванометра. Перемикач шунта гальванометра перевести в положення „АРРЕТИР”. Встановити покажчик гальванометра в нульове положення.

3 Ввімкнути джерело живлення та встановити мінімальну напругу 500 В.

4 Визначити струм, що протікає через діелектрик, для чого перемикач шунта перевести з найменшої чутливості до значення, при якому покажчик гальванометра відхилиться до правої половини шкали.

5 Результати вимірювань записати у таблицю 1.2.

Таблиця 1.2 – Результати вимірювання об’ємного опору

Таблиця 1.3 – Результати вимірювання поверхневого опору

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

РЕЗОНАНСНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи

Дослідити основні види поляризації та втрати в діелектриках. Виміряти діелектричну проникність та тангенс кута діелектричних втрат резонансним методом. Дослідити вплив частоти електричного поля на діелектричну проникність та втрати в діелектриках.

Рисунок 2.2 – Зовнішній вигляд вимірювача добротності Е9-4

Г V 1 V 2 C0 Cx Rx

Рисунок 2.3 – Спрощена схема вимірювача добротності

Генератор Г забезпечує живлення коливального контуру напругою до 60 В із частотами в діапазоні від 35 кГц до 50 МГц. За допомогою вольтметра V ₁ (" Рівень ") встановлюють і контролюють рівень на­пруги генератора. Опір R є еквівалентним активним опором колив­ального контуру. Змінні котушки індуктивності L дозволяють прово­дити вимірювання на різних частотах. Вольтметром V ₂ (шкала Q на передній панелі приладу) вимірюють напругу на ємності контуру. Вольтметр V ₂ проградуйований в одиницях добротності. Ємність при заданій частоті прикладеної напруги та фіксованій індуктивності дає можливість настроювати коливальний контур в резонанс.

Досліджуваний зразок матеріалу приєднується до затискачів 1 та 2 (). В приладі при визначенні діелектричної проникності та тангенса кута діелектричних втрат tg δ діелектриків використаний резонансний метод. Для визначення ємності та tg δ досліджуваного зразка діелектрика необхідно два рази настроїти контур в резонанс: без зразка, визначивши параметри контуру і , та з зразком, визначаючи параметри контуру і .

Ємність досліджуваного зразка

. (2.5)

Добротність контуру – це відношення хвильового опору контуру до його активного опору

, (2.6)

де – хвильовий опір,

– резонансна частота.

Тангенс кута діелектричних втрат tg δ досліджуваного зразка виражається через добротність контуру без зразка та з зразком співвідношенням:

. (2.7)

Налаштування куметра Е9-4

1 Ознайомитися з будовою куметра Е9-4, вивчити методику вимірювання ємності та добротності.

2 Перемикач режиму роботи поставити в положення " Встановлення нуля ".

3 Ручку " Рівень " поставити в крайнє ліве положення.

4 Ввімкнути прилад, дати йому прогрітися протягом 10-15 хвилин.

5 Перемикач шкали встановити в положення "200".

6 Ручками " Нуль Q " та " Нуль рівня " встановити стрілки вольтметрів та на нульові позначки.

7 Перемикач режиму роботи перевести в положення " Калібрування ".

8 Ручкою " Рівень " встановити стрілку вольтметра V ₁ навпроти червоної риски.

9 Потенціометром " Калібрування 200" встановити стрілку вольтметра добротності " Q " навпроти поділки 200.

10 Повторити операції (пункти 5–9) при інших положеннях перемикача шкали добротності .

Таблиця 2.1 – Результати вимірювань і розрахунків

Назва матеріалу	Результати вимірювань	Результати розрахунків
Товщина , м	Частота , Гц	, Ф		, Ф		, Ф

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

Мета роботи

Вивчити методику вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних втрат електроізоляційних матеріалів при високій напрузі промислової частоти за допомогою моста та дослідити їх залежності від значення прикладеної напруги.

Опис лабораторної установки

Значення та на частоті 50 Гц визначають за допомогою мостів змінного струму. Діапазон вимірювання ємності повинен бути не меншим за ємність зразка, а по перевищувати в 2 рази зразка. В роботі використовується міст змінного струму типу Р5026, призначений для вимірювання та при частоті 50 Гц (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Зовнішній вигляд моста змінного струму Р5026

Принципова електрична схема моста наведена на рисунку 3.3. Міст жи­виться від силової мережі через підвищувальний трансформатор НОМ-10, який дає можливість одержувати напругу до 10 кВ. В два плеча моста, що під’єднані до "високовольтної" вершини, вмикають досліджу­ваний об’єкт, елементи схеми заміщення якого та високо­вольтний зразковий конденсатор . В даній схемі майже вся напруга живлення прикладена до ємнісних плечей моста, оскільки їх опір змінному струму є набагато більшим від опорів інших плечей. Це дає можливість безпечно зрівноважувати міст зміною та . Для захисту вимірювального кола у випадку пробою зразка передбачені розрядники Р.

Рисунок 3.3 – Принципова схема моста змінного струму Р5026

Умовою рівноваги моста є рівність напруг на відповідних плечах моста як за значенням, так і за фазою. Тому для зрівноваження моста необхідно змінювати одночасно два параметри (ємність та активний опір) і послідовними регулюваннями досягти, щоб активна та реактивна складові напруги в діагоналі моста дорівнювали нулю. При цьому одночасно визначається ємність та зразка.

Вимірювання можна здійснювати при високій напрузі за "прямою" схемою (обидва електроди вимірюваного об'єкта ізольовані від землі) та за "перевернутою" схемою (один з електродів об'єкта заземлений); при низькій напрузі (від вмонтованого джерела живлення) – за "прямою" схемою.

В комплект моста входить власне міст змінного струму типу Р5026, пристрій захисного потенціалу типу Ф5122, повітряні конденсатори типів Р5023 та Р5069, електроди для випробування твердих діелектричних матеріалів. Досліджуваний зразок вмикається в плече АС моста, а в плече ВС вмикається зразковий конденсатор (P5023 або Р5069). Два інші плечі моста, що складаються з магазинів опору та ємності, використовуються для зрівноважування моста. Функцію нуль-індикатора НІ в мості виконує чутливий транзисторний вибірковий підсилювач, на виході якого ввімкнений стрілковий прилад. Чутливість нуль-індикатора не менше 2 мм/мкВ і змінюється ступенями через 30 дБ.

Живлення моста при вимірюванні на низькій напрузі здійснюється від мережі змінного струму за допомогою вмонтованого трансформатора. Для вимірювань на високій напрузі застосовується зовнішнє коло живлення. В цьому випадку підвищувальний трансформатор повинен забезпечувати напругу до 10 кВ. В більшості випадків використовують трансформатори напруги типу НОМ-10 до первинної обмотки якого подають напругу від лабораторного автотрансформатора типу ЛАТР-1М або РНО-250-2.

При рівновазі моста має місце умова

, (3.13)

де

, (3.14)

, (3.15)

, (3.16)

. (3.17)

Прирівнявши окремо дійсні та уявні частини, одержуємо

, . (3.18)

Тоді .

Для зручності обчислень значення приймають рівним Ом. Тоді при частоті 50 Гц

, (3.19)

де значення – в мікрофарадах.

Таблиця 3.1 – Результати вимірювань та обчислень ємності та діелектричних втрат

№ з/п	Досліджуваний діелектрик	Вимірювання	Обчислення
Напруга U, В	, Ом	, мкФ	, пФ		tg

Таблиця 3.2 – Результати обчислень діелектричної проникності, СКВ, абсолютної та відносної похибок

Досліджуваний зразок				, %

3 Побудувати графіки залежностей та .

4 Зробити висновки з проведеної роботи

3.5 Контрольні запитання

1 Які існують схеми заміщення діелектрика?

2 Який фізичний зміст кута діелектричних втрат?

3 Які особливості мостових методів визначення ємності та тангенса кута діелектричних втрат?

4 Які існують схеми ввімкнення моста змінного струму?

5 Яка умова рівноваги моста та як її можна досягти?

6 Що таке діелектрична проникність матеріалу та як її визначають?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

Мета роботи

Вивчити властивості сегнетоелектриків та дослідити їх основні характеристики осцилографічним методом.

В результаті виконання роботи студент повинен знати властивості сегнетоелектриків, фізичні процеси, що відбуваються в сегнетоелектриках під впливом електричного поля. Вміти провести експериментальні дослідження діелектричних властивостей сегнетоелектриків.

Рисунок 4.1 – Основна крива поляризації та петля гістересису сегнетоелектриків

При періодичній зміні напруженості зовнішнього електричного поля від E_m до –E_m і знову до E_m залежність D(E) утворює замкнену криву, яка носить назву діелектричної петлі гістерезису (рисунок 4.1). Аналогічною є залежність заряду Q конденсатора, діелектриком в якому є сегнетоелектрик, від напруги U.

Основна крива поляризації, яка близька до початкової, являє собою геометричне місце вершин симетричних гістерезисних петель, одержаних при різних максимальних значеннях напруженості електричного поля. Нелінійний характер основної кривої заряду зберігається в певному інтервалі температур. З підвищенням температури вище критичної сумарний дипольний момент сегнетоелектрика наближається до нуля, оскільки створенню доменної структури перешкоджають теплові коливання іонів, що знаходяться в вузлах кристалічної ґратки.

Температура, при якій починається процес зникнення спонтанної поляризації, називається температурою (точкою) Кюрі . При температурі Кюрі спостерігається максимум діелектричної проникності. Вище відбувається розпад доменної структури і сегнетоелектрик переходить в параелектричний стан.

Для характеристики поляризації сегнетоелектрика в електричному полі використовують такі параметри:

- залишковий заряд , що визначається при зменшенні зовнішнього електричного поля від максимального значення до нульового;

- коерцитивну силу , яка визначається як значення напруженості електричного поля при значенні заряду конденсатора рівному нулю;

- статичну ємність

, (4.1)

де – амплітудне значення заряду; – амплітуда напруги;

- втрати енергії на поляризацію зразка, що визначаються за площею гістерезисної петлі (площа петлі в координатах заряд-напруга пропорційна втратам енергії в сегнетоелектрику);

- коефіцієнт прямокутності гістерезисної петлі

; (4.2)

- коефіцієнт нелінійності

, (4.3)

де – максимальна ємність, що визначається з кривої ; – ємність, що визначена при U→ 0.

Рисунок 4.2 – Електрична схема лабораторної установки для дослідження сегнетоелектриків

3 Перемикач В ₃ перемкнути в положення .

4 Ввімкнувши живлення, автотрансформатором ЛАТР встановити на конденсаторі напругу рівну 100 В.

5 Ручкою потенціометра R ₁ розгорнути зображення осцилографа так, щоб відхилення променя від центру екрана склало 40-50 мм.

6 Вимикач B ₁ розімкнути, а вимикачем В ₂ замкнути вхід горизонтального відхилення променя осцилографа.

7 Ручкою "Підсилення" вертикального входу осцилографа розгорнути зображення так, щоб відхилення променя від центру екрана складало 5-6 мм. Результати записати в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1 – Визначення масштабних коефіцієнтів осцилографа

Таблиця 4.2 – Результати дослідження петель гістерезису сегнетоелектрика

Таблиця 4.3 – Результати дослідження точки К’юрі

Таблиця 4.4 – Результати розрахунку параметрів петлі гістерезису

Таблиця 4.5 – Результати визначення точки К’юрі

4 Побудувати графіки залежностей ; ; ; ; ; .

4.5 Контрольні запитання

1 Які матеріали називають сегнетоелектриками?

2 Які основні параметри та властивості сег

123Следующая ⇒

Поделиться:

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте