Messen elektrischer Größen und PC-Messdatenerfassung mit LabVIEW

Inhaltsverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT
1.2 AUFGABENSTELLUNG IM ÜBERBLICK

2 MESSEN MIT DEM DIGITALEN MULTIMETER
2.1 DIGITALES MULTIMETER ELV JT 138
2.1.1 Anschluss
2.1.2 Digit und Auflösung
2.1.3 Messbereiche und Messgenauigkeit
2.2 MESSUNG DER LEERLAUFSPANNUNG
2.3 MESSUNG DES KURZSCHLUSSSTROMS
2.4 SPANNUNGSMESSUNG AM ARBEITSPUNKT
2.5 MESSUNG DER ABGEGEBENEN LEISTUNG
2.6 WIDERSTANDSMESSUNG

3 MESSEN MIT DIGITALEM SPEICHER-OSZILLOSKOP
3.1 DIGITAL-SPEICHER-OSZILLOSKOP METEIX 6062C
3.1.1 Trigger und Single Shot
3.1.2 AC/DC/GND
3.2 FUNKTIONSGENERATOR
3.3 MESSUNG EINER SINUSFÖRMIGEN SPANNUNG
3.4 MESSUNG EINER RECHTECKFÖRMIGEN SPANNUNG
3.5 SPANNUNGSMESSUNG EINES SOLARZELLENMODULS

4 PROGRAMMIERUNG MIT LABVIEW
4.1 LABVIEW
4.2 ERSTELLEN UND ANZEIGEN VON ZUFALLSZAHLEN
4.3 INKREMENTIEREN EINES ZÄHLERS MIT EINEM BUTTON
4.4 STOPPUHR
4.5 WÜRFEL MIT STATISTIK
4.6 UMRECHNUNG VON DEZIMALZAHLEN IN DAS NEUNER ZAHLENSYSTEM
4.6.1 Mathematische Umrechnung
4.6.2 Umsetzung in LabVIEW

5 MESSEN UND AUSWERTEN MIT LABVIEW
5.1 DATENERFASSUNGSKARTE USB-6008
5.1.1 Abtastrate
5.2 KALIBRIERUNG EINES WEGSENSORS INKL. PARAMETER
5.2.1 Messaufbau
5.2.2 Aufnahme der Sensorkennlinie
5.2.3 Umsetzung in LabVIEW
5.3 KALIBRIERUNG EINES TEMPERATURSENSORS (UNTERSCHIEDE ZUM WEGSENSOR)
5.4 AUSWERTUNG EINER LICHTSCHRANKE

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Digitales Multimeter JT138

Abbildung 2: Messaufbau einer Leerlaufspannungsmessung

Abbildung 3: Messaufbau einer Kurzschlussstrommessung

Abbildung 4: Messaufbau zur Spannungsmessung am Arbeitspunkt

Abbildung 5: Messaufbau der Leistungsmessung

Abbildung 6: Messaufbau der Widerstandsmessung

Abbildung 7: Digital-Oszilloskop Meteix 6062C

Abbildung 8: Messaufbau Oszilloskop -Funktionsgenerator

Abbildung 9: Messung einer rechteckförmigen Spannung

Abbildung 10: Oszilloskop Tastkopf

Abbildung 11: LabVIEW Frontpanel und dazugehöriges Blockschaltbild

Abbildung 12: Zufallszahl - Case „“true““

Abbildung 13: Zufallszahl - Case “false“

Abbildung 14: Inkrementieren eines Zählers - Case “false“

Abbildung 15: Inkrementieren eines Zählers - Case “true“

Abbildung 16: Button Schaltverhalten

Abbildung 17: Frontpanel - Stoppuhr

Abbildung 18: Stoppuhr - Case “false“

Abbildung 19: Stoppuhr - Case “true“

Abbildung 20: Blockdiagramm - Würfel mit Statistik

Abbildung 21: Frontpanel - Würfel mit Statistik

Abbildung 22: Frontpanel - Umrechnung von Dezimalzahlen

Abbildung 23: Blockdiagramm - Umrechnung von Dezimalzahlen

Abbildung 24: Multifunktionskarte USB-6008

Abbildung 25: Messaufbau einer Wegmessung

Abbildung 26: Blockdiagramm - Kalibrierung eines Wegsensors

Abbildung 27: Frontpanel - Kalibrierung eines Wegsensors

Abbildung 28: Blockdiagramm - Kalibrierung eines Temperatursensors

Abbildung 29: Blockdiagramm - Auswertung einer Lichtschranke

Abbildung 30: Frontpanel - Auswertung einer Lichtschranke

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Wegsensor Kalibrierwerte

Tabelle 2: Anschluss Temperatursensor - Datenerfassungskarte

Tabelle 3: Anschluss Lichtschranke - Messdatenerfassungskarte

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Ziel und Aufbau der Arbeit

Während einem zweitägigen Laborunterricht wurden diverse Messungen durchgeführt. In diesem Laborbericht werden die dort durchgeführten Messaufgaben im Detail be- schrieben und dokumentiert. Zuerst wird die vorgegebene Aufgabenstellung definiert. Im Anschluss daran, ist die Durchführung der Messaufgaben der Reihenfolge nach beschrie- ben.

1.2 Aufgabenstellung im Überblick

Messen mit dem Digital-Multimeter

- Leerlaufspannung eines Solarzellenmoduls
- Kurzschlussstrom eines Solarzellenmoduls
- Spannungsmessung im Arbeitspunkt
- Leistungsabgabe eines Solarzellenmoduls bei Belastung
- Widerstand einer Motorwicklung

Messen mit dem Digital-Speicher-Oszilloskop

- Messung einer sinusförmigen Spannung
- Messung einer rechteckförmigen Spannung
- Spannungsmessung eines Solarzellenmoduls

Programmierung mit LabVIEW

- Generieren und Anzeigen von Zufallszahlen
- Inkrementieren eines Zählers mit einem Button  Stoppuhr
- Würfel mit Statistik
- Umrechnung von Dezimalzahlen in das neuner Zahlensystem
- Optional: Ohne Vi „Quotient & Remainder“

Messen und Auswerten mit LabVIEW

- Kalibrierung eines Wegsensors inkl. Parameter
- Kalibrierung eines Temperatursensors (Unterschiede zum Wegsensor)
- Auswertung einer Lichtschranke

2 Messen mit dem digitalen Multimeter

2.1 Digitales Multimeter ELV JT 138

Das digitale Multimeter wird verwendet um elektrische Größen zu erfassen. Es verfügt im Vergleich zum analogen Multimeter eine digitale Messwertanzeige und erleichtert dadurch das Ablesen des gemessenen Wertes. Im Labor stehen digitale Multimeter vom Typ JT 138 der Firma ELV zur Verfügung.

2.1.1 Anschluss

Der Anschluss der Messleitungen erfolgt über die Anschlussbuchsen auf der Vorderseite. Da Spannung und Strom unterschiedlich gemessen werden, sind mehrere Anschlussva- rianten möglich. Die Buchse „V/Ohm“ ist für die Spannungs- und Widerstandsmessung. Für die Strommessung stehen die beiden Messbereiche 20A und 200mA zur Verfügung. Die Buchse mit der Beschriftung „COM“ ist der gemeinsame Masseanschluss.

Um den Überblick zu behalten werden Versorgungsspannung mit roten, Signale mit gelben und die Masse mit schwarzen Leitungen verbunden.

Keinesfalls darf eine Spannungsmessung über die Strommesseingänge durchgeführt werden, dadurch können Bauteile in der Schaltung oder das Messgerät selbst beschädigt werden.

Abbildung wurde aus datenschutzrechtlichen Gründen von der Redaktion entfernt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Digitales Multimeter JT138

2.1.2 Digit und Auflösung

Ein Digit entspricht der niederwertigsten Stellenanzeige auf dem Display. Die Auflösung ist gleich einem Digit.

Beispiel: Messbereich 0,00V - 20,00V => 1 Digit = 0,01V, Auflösung = 0,01V

2.1.3 Messbereiche und Messgenauigkeit

Aus dem Datenblatt kann die Messgenauigkeit entnommen werden. Diese Angabe bezieht sich auf den angezeigten Messwert.

Der Messbereich des Multimeters wird vor der ersten Messung auf die maximal zu erwartende Spannung eingestellt. Anschließend wird der Messbereich solange angepasst, bis der Messwert im oberen Drittel des Messbereichs liegt. In diesem Bereich sind die Werte prozentual genauer.

Beispiel: Der Messbereich ist 20VDC, die Messabweichung laut Datenblatt +-(0,05% + 3d), Auflösung 1mV Absolute Messabweichung bei 20V = +-0,10V , relative Messabweichung = +-0,05% Absolute Messabweichung bei 1V = +-0,008V , relative Messabweichung = +-0,8%

2.2 Messung der Leerlaufspannung

Es wird die Leerlaufspannung eines Solarzellenmoduls gemessen werden.

Da die Helligkeit im Messlabor nicht ausreicht um die maximale Spannung zu erzeugen, wird eine handelsübliche Glühlampe auf das Solarzellenmodul ausgerichtet. Bei der Leerlaufspannungsmessung wird das Multimeter parallel an das Solarzellenmodul angeschlossen. Es darf kein weiterer Verbraucher angeschlossen sein. Das Multimeter besitzt im Spannungsmessbereich einen sehr hohen Innenwiderstand und ist in diesem Fall nicht als Verbraucher zu werten.

Es wurde der Messbereich 20V und die Gleichspannungsmessung eingestellt.

Abbildung 2: Messaufbau einer Leerlaufspannungsmessung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Messung des Kurzschlussstroms

Es wird der Kurzschlussstrom eines Solarzellenmoduls gemessen werden.

Bei der Kurzschlussstrommessung bleibt das Multimeter ebenso wie bei der Leerlaufspannungsmessung angeschlossen, jedoch werden die Buchsen „A“ und „COM“ verwendet. Das Solarzellenmodul liefert dann den maximalen Strom.

Der Messbereich ist auf 20A Gleichstrommessung eingestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Messaufbau einer Kurzschlussstrommessung

Messergebnis Berechnung

IKurzschluss = IMessung +-(2,0% + 5d) = 360mA +- (7,2mA + 50mA) = 360mA +- 57mA Das Solarzellenmodul liefert einen Kurzschlussstrom von 360mA +- 57mA. Messwertbeurteilung

In diesem Fall liegt der Messwert für eine präzise Messung ungünstig, da er im unteren Drittel des Messbereiches von 0-20A liegt. Das hat eine große Messabweichung zur Folge. Ist eine genaue Messung erforderlich, sollte ein Messgerät mit passendem Messbereich ausgewählt werden.

2.4 Spannungsmessung am Arbeitspunkt

Zur Messung der Spannung am Arbeitspunkt, wird das Solarzellenmodul mit einem Ver- braucher belastet. Bei dieser Messung ist der Verbraucher ein kleiner Gleichstrommotor. Der Stromkreis ist geschlossen und es fließt ein Strom durch den Motor. Das Multimeter ist parallel zum Motor angeschlossen. An dem Innenwiderstand des Solarzellenmoduls fällt eine Spannung ab und es wird sich eine geringere Spannung als im Leerlaufbetrieb einstellen.

Das Multimeter wird auf 20V Gleichspannungsmessung eingestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Messaufbau zur Spannungsmessung am Arbeitspunkt

Messergebnis Berechnung

UA = UMessung +-(0,5% + 3d) = 2,33V +- (0,12V + 0,03V) = 2,33V +- 0,042V Die Spannung am Betriebspunkt ist 2,33V +- 0,042V.

Messwertbeurteilung

Wie erwartet ist die Spannung im Vergleich zur Leerlaufspannung geringer. Der Spannungsabfall am Innenwiderstand des Solarzellenmoduls berechnet sich aus der Differenz von ULeerlauf - UA und beträgt somit 0,09V.

2.5 Messung der abgegebenen Leistung

Es wird die abgegebene Leistung eines Solarzellenmoduls bei Belastung mit einem Gleichstrommotor gemessen werden.

Um die Spannung und den Strom gleichzeitig zu messen, werden zwei Multimeter verwendet. Die Strommessung erfolgt in Reihe zwischen dem Solarzellenmodul und dem Gleichstrommotor. Auf welcher Seite im Stromkreis das Multimeter angeschlossen wird, hat keine Auswirkung auf den Messwert. Lediglich auf die Polung muss geachtet werden, um einen positiven Messwert angezeigt zu bekommen. Die Spannungsmessung erfolgt gleich dem vorherigen Messaufbau.

Das Multimeter, welches als Strommesser angeschlossen ist, besitzt einen Innenwiderstand an dem eine geringe Spannung abfällt. Daher ist eine geringere Spannung als bei der Messung im Arbeitspunkt zu erwarten.

Der Strom ist jetzt geringer als der Kurzschlussstrom, daher wird der 200mA Messbereich eingestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Messaufbau der Leistungsmessung

Messergebnis Berechnung

UA = UMessung +-(0,5% + 3d) = 2,15V +- (0,01V + 0,03V) = 2,15V +- 0,04V

IA = IMessung +-(0,8% + 3d) = 10,05mA +- (0,08mA + 0,03mA) = 10,05mA +- 0,11mA

Das Solarzellenmodul liefert am Arbeitspunkt eine Spannung von 2,15V +- 0,04V und einen Strom von 10,05mA +- 0,11mA. Damit lässt sich die abgegebene Leistung wie folgt berechnen.

PA = UA * IA = 2,15V * 0,11mA = 21,6mW

Das Solarzellenmodul gibt am Arbeitspunkt eine Leistung von 21,6mW ab.

2.6 Widerstandsmessung

Es soll der Widerstand der Motorwicklung gemessen werden.

Der Motorwicklungswiderstand wird im Stillstand gemessen. Das Multimeter wird mit dem Motor verbunden und ist auf 200Ohm Widerstandsmessung eingestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Messaufbau der Widerstandsmessung

Messergebnis Berechnung

RWicklung = RMessung +-(0,8% + 5d) = 45Ω +- (0,36Ω + 0,5Ω) = 45Ω +- 0,9Ω

3 Messen mit digitalem Speicher-Oszilloskop

3.1 Digital-Speicher-Oszilloskop Meteix 6062C

Mit einem digitalen Speicher-Oszilloskop kann der zeitliche Verlauf einer Spannung optisch auf einem Display dargestellt werden. Die Messung erfolgt dabei über einen A/D- Wandler. Zwei Messeingänge befinden sich an der Oberseite und sind als BNC-Buchse ausgeführt. Es ist zu beachten, dass die Masseanschlüsse elektrisch verbunden sind. Für die Messung wird das Tischoszilloskop Meteix 6062C eingesetzt.

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Abbildung 7: Digital-Oszilloskop Meteix 6062C

3.1.1 Trigger und Single Shot

Über die Trigger Einstellung lässt sich ein stehendes Bild eines periodischen Spannungs- verlaufs erzeugen. Wird der Trigger Schwellenwert überschritten startet die Datenerfas- sung. Liegt der Trigger Schwellwert auf einem Wert an der oberen Grenze der Amplitude, flackert das Bild. In diesem Fall ist der Trigger auf einen geringeren Wert einzustellen.

Wird die Funktion „Single Shot“ aktiviert, stoppt die Aufzeichnung nach dem Erreichen des Trigger-Schwellenwertes. Dadurch können auch einmalige Ereignisse im Spannungsverlauf betrachtet werden.

3.1.2 AC/DC/GND

Der Schalter mit der Beschriftung AC/DC/GND hat folgende Auswirkungen:

- AC - Nur die Wechselspannungsanteile der Messspannung werden dargestellt  DC - Gleich- und Wechselspannungsanteile werden dargestellt

[...]