Laborbericht AUT20. Durchführung praktischer Versuche im Hinblick auf das Themengebiet Messtechnik

Spannung / Strom Messen / LabView Ausarbeitung


Ausarbeitung, 2018

26 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Zielformulierung

2. Praktische Laboraufgabe: Messen mit dem Multimeter
2.1 Grundlagen der Messung mit einem Multimeter
2.2 Aufgabenstellung und Zielsetzung
2.3. Messung der Leerlaufspannung
2.3.1. Durchführung des Laborversuchs
2.3.2. Analyse und Ergebnis
2.4 Messung des Kurzschlussstroms des Solarzellenmoduls
2.4.1 Durchführung des Laborversuchs
2.4.2 Analyse und Ergebnis
2.5. Messung der Spannung mit angeschlossenem Motor als Verbraucher
2.5.1 Durchführung des Laborversuchs
2.5.2 Analyse und Ergebnis
2.6 Messung der Spannung und des Stroms mit angeschlossenem Motor
2.6.1 Durchführung des Laborversuchs
2.6.2 Analyse und Ergebnis
2.7 Messung des Ohm’schen Widerstand der Motorwicklung
2.7.1 Durchführung des Laborversuchs
2.7.2 Analyse und Ergebnis

3. Praktische Laboraufgabe: Messen mit dem Digitaloszilloskop
3.1 Grundlagen der Messung mit dem Digitaloszilloskop
3.2. Durchführung und Ergebnis Laborversuch

4. Der Start mit LabVIEW
4.1 Einleitung
4.2 Laborübung 5 – Case (boolean)
4.3 Laborübung 6: Zähler mit Taster
4.4 Laborübung 7: Stoppuhr
4.5 Übung 8: Würfel mit Statistik

5. Datenerfassung mit der Multifunktionskarte von National Instruments (USB-6008)
5.1 Übung 1: Kalibrieren des Wegsensors mit LabVIEW inkl. Parameter
5.2 Übung 2: Temperatursensor, wesentliche Änderungen zu Übung
5.3 Übung 3: Lichtschranke auswerten: ohne Zähler und Zeitmessung
5.4 Hausaufgabe

6. Anhang
6.1 Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung und Zielformulierung

Ziel dieses zweitägigen Labortermins mit dieser anschließenden Labor Ausarbeitung ist es, praktische Versuche in Bezug des breit gefächerten Themenbereichs der Messtechnik anhand realer Anwendungsfälle durchzuführen. Zu den verwendeten Übungen werden zum Teil zwei Multimeter gleichzeitig verwendet. In einem weiteren Bereich geht es um das grundsätzliche Verständnis in der Anwendung und Verwendung des digitalen Speicheroszilloskops. Den sehr ausführlichen Abschluss stellen die Verwendung der beiden Tools, Excel und LabVIEW dar. LabVIEW ist eine ausgeklügelte Software, welche bei der Auswertung, als auch bei der Erstellung von Regelkreisen mit einer optionalen Hardwareschnittstelle den Endanwender unterstützt. Hierbei werden grundlegende Kenntnisse erlernt und anschließend mit praktischen Übungen und der Hausaufgabe in die Tat umgesetzt.

2. Praktische Laboraufgabe: Messen mit dem Multimeter

2.1 Grundlagen der Messung mit einem Multimeter

Das digitale Multimeter eignet sich für eine Reihe von Messungen, wie zum Beispiel der Spannungs-, Wiederstands- und Strommessung. Unterschieden wird zwischen digitalen und analogen Messgeräten, die sich hauptsächlich in Bezug auf das Display unterschieden. Das analoge verfügt über eine fixe Skala, der Messwert wird über den Zeigerausschlag angezeigt. Beim digitalen Multimeter wird der Messwert direkt digital via Display angezeigt. Für die folgenden Versuche wurde ein Digitalmultimeter von der Firma ELV verwendet, mit der Typenbezeichnung JT-138.

Bei der Spannungsmessung wird die Energie, die benötigt wird ermittelt, welche notwendig ist um Ladung im Feld zu bewegen. Elektrische Spannungen werden in den meisten Fällen in der Einheit Volt [V] angegeben. Bei jeder Messung ist es wichtig, dass man zwischen Gleich- und Wechselspannung unterscheidet. Bei der Spannungsmessung wird das Messgerät parallel zur Spannungsquelle angeschlossen. Der Innenwiderstand des Voltmeters sollte möglichst groß sein, damit der Strom im Messzweig so klein wie möglich wird, um diesen zu vernachlässigen.

Bei der Strommessung wird immer in Reihe gemessen. Diese wird in Ampere [A] angegeben. Damit der richtige Strommesswert mit dem Multimeter ermitteln werden kann, muss der passende Messbereich eingestellt werden. Gleichzeitig sollte man beachten, dass die richtigen Ausgänge für die Strommessung eingesteckt werden, im Multimeter, da das Messgerät in Reihe im Stromkreis des zu messenden Stroms angeschlossen werden muss. Der Innenwiderstand des Amperemeters sollte möglichst klein sein, damit der Messwert so gering wie nur möglich beeinflusst wird.

Der erforderliche Messstrom bei der Widerstandsmessung kommt aus der Batterie, welche im Messgerät integriert ist. Die Widerstandsmessung erfolgt in den meisten Fällen parallel zum zu messenden Objekt.

Die Messunsicherheit ist Teil jeder Messung und besteht aus der Kombination eines Multiplikatorfehlers und einem linear verlaufenden Offsetfehler. Die Spezifikation der Messunsicherheiten für das jeweilige Multimeter kann in der Bedienungsanleitung nachgelesen werden. Für das im Labor verwendete Multimeter ist folgende Messunsicherheit für die Gleichspannungsmessung und einem Messbereich von 20 Volt ablesebar: 0,5 % vom Messwert + 3 d (Digits).

2.2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Eine Solarzelle wird mit einer Tischlampe bestrahlt, welche mit einem Halogen Leuchtmittel bestückt ist. Für diese Messung wurde das Multimeter verwendet.

Diese Versuche wurden durchgeführt:

- Messung der Leerlaufspannung des Solarzellenmoduls
- Messung des Kurzschlussstroms des Solarzellenmoduls
- Messung der Spannung mit angeschlossenem Motor
- Messung der Spannung und Strom mit angeschlossenem Motor
- Messung des Widerstands (Ohm) der Motorwicklung

2.3. Messung der Leerlaufspannung

2.3.1. Durchführung des Laborversuchs

Das Solarzellenmodul und das digitale Multimeter wurden wie in Abbildung 1 angeschlossen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Messaufbau Leerlaufspannung Solarzellenmodul

Der Input-Steckplatz „V/OHM“ zur Voltmessung des Multimeters wird mit dem Pluspol der Solarzelle verbunden. Die Masse wird mit der COM-Buchse des Multimeters verbunden. Nun wurde die Tischlampe angeschaltet. Nach dem Einstellen der Messgröße (Gleich-spannung) und des Messbereichs (20 Volt) kann die Spannung vom Multimeter abgelesen werden. Anschließend wurden die Messunsicherheit und das vollständige Messergebnis bestimmt.

2.3.2. Analyse und Ergebnis

Für die Leerlaufspannung des Solarmoduls wurde folgender Messwert abgelesen: 2,40 V. Die Auflösung des Multimeters bei einem Messbereich von 20,00 V beträgt 0,01 V. Die Messunsicherheit beträgt laut Datenblatt 0,5% des Messwertes und 3 Digits, somit: 0,005*2,40 V + 0,01 V *3 = ± 0,0419 V. Damit lautet das vollständige Messergebnis 2,40 V ± 0,0419 V.

2.4 Messung des Kurzschlussstroms des Solarzellenmoduls

2.4.1 Durchführung des Laborversuchs

Zu Beginn des Laborversuchs wurde das Multimeter auf den Messbereich 200 mA und auf Gleichstrom eingestellt. Anschließend wurden das Solarzellenmodul und das digitale Multimeter wie in Abbildung 2 angeschlossen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Messaufbau Kurzschlussstrom Solarzellenmodul

Der +Pol wurde an die Buchse für die Amperemessung gesteckt. Der -Pol wurde mit dem COM-Steckplatz des Multimeters verbunden. Auf dem Display des Multimeters wurde nun die Stromstärke in mA abgelesen, nachfolgend die Messunsicherheit sowie das vollständige Messergebnis bestimmt.

2.4.2 Analyse und Ergebnis

Folgender Messwert wurde abgelesen: 88,1 mA. Die Auflösung dieses Multimeters bei einem Messbereich von 200,0 mA beträgt 0,001 mA. Die Messunsicherheit beträgt laut Datenblatt 1,2% des Messwertes und 4 Digits d.h. 0,012*88,1 mA + 0,001 mA *4 = ± 1,061 mA. Damit lautet das vollständige Messergebnis 88,1 mA ± 1,061 mA.

2.5. Messung der Spannung mit angeschlossenem Motor als Verbraucher

2.5.1 Durchführung des Laborversuchs

Das Solarzellenmodul, der Elektromotor und das Multimeter wurden wie in Abbildung 3 verkabelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Messaufbau Spannungsmessung mit Motor

Der +Pol wird an den Input-Steckplatz „V/OHM“ zur Voltmessung angesteckt. Der -Pol wird in die COM-Buchse des Multimeters gesteckt. Nun wurde wieder die Tischlampe angeschaltet. Die Messung erfolgt parallel. Nach Einstellen der Messgröße Gleichspannung und des Messbereichs von 20 Volt, wird vom Multimeter abgelesen. Zum Ende dieses Versuchs wurden die Messunsicherheit und das vollständige Messergebnis bestimmt.

2.5.2 Analyse und Ergebnis

Folgender Messwert wurde ermittelt: 2,38 Volt. Die Auflösung bei 20,00 Volt beträgt 0,01 V. Die Messunsicherheit liegt laut Datenblatt bei 0,5% des Messwertes und 3 Digits somit: 0,005*2,38 V + 0,01 V *3 = ± 0,042 V. Damit ist das vollständige Messergebnis 2,38 V ± 0,042 V.

2.6 Messung der Spannung und des Stroms mit angeschlossenem Motor

2.6.1 Durchführung des Laborversuchs

Zu Beginn wurden auf den Multimetern die jeweils passenden Messbereiche (200 mA und 20 V) und die richtigen Messgrößen (Gleichstrom und Gleichspannung) eingestellt. Danach wurden das Solarzellenmodul, der Motor und die digitalen Multimeter wie in Abbildung 4 verkabelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Messaufbau Spannungs- und Strommessung mit Motor

Für die Messung des Stroms ist der beteiligte Stromkreis an einer beliebigen Stelle zu öffnen, um den Strom in Reihe zu messen. Nach Einschalten der Tischlampe fließt der Strom direkt durch das erste Multimeter und wird schlussendlich gemessen. Zur Messung der Spannung wurde das zweite Multimeter parallel zum zu messenden Objekt angelegt. Jetzt werden die Messwerte abgelesen.

2.6.2 Analyse und Ergebnis

Folgende Spannung konnte abgelesen werden: 2,30 V. Die Auflösung des Multimeters bei einem Messbereich von 20,00 V beträgt 0,01 V. Die Messunsicherheit beträgt laut Datenblatt 0,5% des Messwertes und 3 Digits, somit: 0,005*2,30 V + 0,01 V *3 = ± 0,0415 V. Damit ist das vollständige Messergebnis 2,30 V ± 0,0415 V.

Folgender Strom wurde gemessen: 12,20 mA. Die Auflösung dieses Multimeters bei einem Messbereich von 20,0 mA beträgt 0,01 mA. Die Messunsicherheit beträgt laut Datenblatt 0,8% des Messwertes und 3 Digits somit: 0,008*12,20 mA + 0,01 mA *3 = ± 0,128 mA. Damit ist das vollständige Messergebnis 11,80 mA ± 0,128 mA.

Für die gemessene Leistung des Motors eignet sich die folgende Formel: P=U*I = 2,30 V * 0,0112 A = 0,0258 W. Für die minimale Leistung des Motors ergeben sich 0,0277 W und für die maximale Leistung des Motors ergeben sich 0,0283 W.

2.7 Messung des Ohm’schen Widerstand der Motorwicklung

2.7.1 Durchführung des Laborversuchs

Das Multimeter wurde wie in Abbildung 5 in den Stromkreis integriert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Messaufbau Ohm’scher Widerstand der Motorwicklung

Danach wurde die Messgröße Widerstand und der Messbereich von 200 Ohm eingestellt. Nach ablesen der Werte wurde die Messunsicherheit und anschließend das vollständige Messergebnis bestimmt.

2.7.2 Analyse und Ergebnis

Messwert: 37,2 Ohm. Die Auflösung bei 200,0 Ohm beträgt 0,1. Die Messunsicherheit beträgt laut Datenblatt 0,8% des Messwerts und 5 Digits somit folgt: 0,008*37,2 Ohm + 0,1 Volt *5 = ± 0,798 Ohm. Damit beträgt das vollständige Messergebnis 37,2 Ohm ± 0,798 Ohm.

3. Praktische Laboraufgabe: Messen mit dem Digitaloszilloskop

3.1 Grundlagen der Messung mit dem Digitaloszilloskop

Mit einem Multimeter können nur „Momentaufnahmen“ von Messwerten ermittelt werden. Benötigt man allerdings einen zeitlichen Spannungsverlauf mit grafischer Darstellung, so kommt ein digitaler Oszillograph zum Einsatz. Bei digitalen Oszilloskopen wird die Eingangsspannung mit einem AD-Wandler digitalisiert und in bestimmter Zeit gespeichert. Der Bildschirm des Digitaloszilloskop zeigt auf der horizontalen X-Achse die fortschreitende Zeit und auf der vertikalen Y-Achse die zeitlich dynamische Spannung an. Das Signal mit der Abtastrate abgerufen. Dabei kommt es oftmals zu einer Phasenverschiebung, da das Signal nicht immer zur gleichen Zeit abgegriffen wird. Abhilfe schafft hier das Triggern. Der Trigger Schwellwert legt fest, bei welcher Spannung und ob bei steigender oder fallender Flanke die Messung beginnen soll.

3.2. Durchführung und Ergebnis Laborversuch

Der Aufbau gestaltet sich aus einer Gabellichtschranke, zwischen dieser der Motor mit montierter Platte positioniert wird. Bei jedem vollständigen Umlauf des Motors wird die Lichtschranke ausgelöst. Ziel des Versuches war es, die Drehzahl mit Hilfe des digitalen Oszilloskops auszuwerten. In unserem Fall wurde ein Amplitudenabstand von 2,3 D gemessen bei einer Abtastrate von 20 ms. Eine Periode entspricht daher 2,3 D multipliziert mit 20 ms, woraus sich 46 ms ergeben. Daraus ergibt sich eine Frequenz von 21,7 Hz, wodurch die Drehzahl mit der Multiplikation mit 60 errechnet werden können. Schlussendlich ergibt sich eine Drehzahl von 1302 U/min.

[...]

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Details

Titel
Laborbericht AUT20. Durchführung praktischer Versuche im Hinblick auf das Themengebiet Messtechnik
Untertitel
Spannung / Strom Messen / LabView Ausarbeitung
Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,7
Autor
Jahr
2018
Seiten
26
Katalognummer
V437565
ISBN (eBook)
9783668784222
ISBN (Buch)
9783668784239
Sprache
Deutsch
Schlagworte
labview, messtechnik, laborversuch, multimeter, widerstand, spannung, strom, zähler taster, stoppuhr
Arbeit zitieren
Louis Hirschmann (Autor), 2018, Laborbericht AUT20. Durchführung praktischer Versuche im Hinblick auf das Themengebiet Messtechnik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/437565

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