Чим визначається похибка виміру кута зрушення фаз методом лінійної розгортки і методом еліпса?
|
|
Скачати 166.48 Kb.
|
|
• Чим визначається похибка виміру кута зрушення фаз методом лінійної розгортки і методом еліпса? • Чому при осцилографічних вимірах розмір зображення на екрані прагнуть по можливості збільшити? • Яким способом можна підвищити якість осцилографічних вимірів? Література
Укладачі: Власенко В.М., Нефедова І.М. Вимірювання параметрів гармонійної напруги за допомогою осцилографа у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW Опис лабораторної роботи2007 1. Мета роботи Придбання навиків вимірювання параметрів гармонійної напруги за допомогою осцилографа. Одержання відомостей про характеристики і будову електронного осцилографа. 2. Обладнання, програмне та інформаційно-методичне забезпечення. 2.1. ЕОМ типу IBM PC. Програма LabVIEW 7.0 та методичні посібники для роботи з нею. 2.2. Інтерактивний електронний посібник Основи інформаційно-електронних технологій. 3. Теоретичні відомості Повторіть питання обробки і представлення результатів прямих і непрямих вимірів. Ознайомтеся з наступними питаннями. • Змінна електрична напруга і параметри, що її характеризують. • Вимірювання амплітуди, частоти і кута фазового зрушення для синусоїдальної електричної напруги. • Вимір тривалості часових інтервалів. • Будова, принцип дії й основні характеристики електронного осцилографа. • Зміст і способи реалізації методів вимірювання, використовуваних при виконанні роботи. • Будова і характеристики засобів вимірів, використовуваних при виконанні роботи. Гармонійна напруга характеризується тим, що її поточне значення U(t) змінюється з часом по синусоїдальному закону: U(t)=U0 sin(t +), (3.5.1) де U0 - амплітуда гармонійної напруги; t - час;  - кутова частота;  - фаза. Мал. 3.5.1. Спрощена структурна схема універсального осцилографа: ЭЛТ - електронно-променева трубка, УВО - підсилювач вертикального відхилення, УГО - підсилювач горизонтального відхилення 2  Мал. 3.5.6. 7. Контрольні питання • Які параметри цілком характеризують гармонійну напругу? Поясніть на графіку. • Потрібно виміряти всі параметри гармонійного електричного сигналу. Орієнтовно амплітуда сигналу дорівнює 1 мВ (100 мВ, 5В, 100В), частота дорівнює 0,1 Гц (30 Гц, 1 кГц, 1 МГц, 1 ГГц), а різниця фаз з опорною напругою складає 1 (10 , 60 , 175 ). Як це краще зробити, якщо необхідно мінімізувати похибку (мінімізувати кількість засобів вимірів, забезпечити, щоб похибка виміру всіх параметрів не перевищила 1%)? • Чому при спостереженні гармонійних сигналів і вимірі їхніх параметрів зручно використовувати осцилограф? • Від чого залежить похибка виміру амплітуди за допомогою осцилографа? • Від чого залежить похибка виміру частоти за допомогою осцилографа? • Що вимірюється осцилографом при вимірі різниці фаз? • Які параметри гармонійної напруги можна виміряти за допомогою фігур Ліссажу? Як організувати такі виміри? • Як визначити різницю фаз між двома гармонійними сигналами за формою й орієнтацією еліпса що спостерігається на екрані? 11 ж) Запишіть у звіт показання осцилографа і калібратора. з) Залишаючи незмінною амплітуду досліджуваного сигналу, виконаєте виміри відповідно до пп. «г»-«ж», послідовно встановлюючи частоту вихідного сигналу калібратора рівною 500 Гц, 5 кГц, 50 кГц, 0,5 МГц, 5 МГц. Завдання 3. Вимір за допомогою осцилографа кута фазового зрушення а) Установіть на виходах калібратора однакове (близьке до максимального) значення напруги; частоту сигналу, рівну 10 кГц, і кут зрушення фаз, рівний 30 . б) Виберіть для виміру канали I+II осцилографа і включіть режим лінійної розгортки з внутрішньою синхронізацією (перемикач «Внутр.-Внеш.» знаходиться в положенні «Внутр.»). в) Підберіть підхожий коефіцієнт розгортки і коефіцієнт вертикального відхилення. г) Виміряйте лінійний розмір зображення, що відповідає одному періоду досліджуваного сигналу і зрушенню фаз. д) Запишіть у звіт показання осцилографа і калібратора. е) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту досліджуваних сигналів, включіть режим кругової розгортки «X-Y» і подберіть такі коефіцієнти вертикального відхилення, щоб отриманий еліпс зайняв практично весь екран. ж) Замалюйте осцилограму і виміряйте розміри відрізків h і H. з) Запишіть у звіт показання осцилографа і калібратора. и) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту досліджуваних сигналів, виконаєте виміри відповідно до пп. «a»-«з», послідовно встановлюючи значення фазового зрушення рівниим 40,60,90,180, 270 і 360 . 5.7. Збережіть результати. 5.8. Після зберігання результатів закрийте додаток LabVIEW і при необхідності виключіть комп'ютер. 6. Оформлення звіту Звіт крім прийнятої для нього інформації повинен містити: • осцилограмми; • графіки залежності абсолютної і відносної похибок вимірів фазового зрушення від показань осцилографа при використанні методів лінійної розгортки й еліпса. Рекомендовані форми таблиць для звіту приведені на Мал. 3.5.6.. Існує багато вимірювальних приладів, що дозволяють вимірювати окремі параметри гармонійної напруги. Це аналогові і цифрові вольтметри змінного струму, частотоміри і фазометри різних видів і систем. За допомогою цих приладів можна домогтися високих показників точності вимірів, забезпечити виконання вимірів у широкому діапазоні амплітуд і частот, провести виміри як у лабораторних, так і в цехових умовах. Однак жоден з перерахованих засобів вимірів не дозволяє виміряти одночасно всі параметри гармонійної напруги і не має такий дружній користувальний інтерфейс, як електронний осцилограф. Електронні осцилографи забезпечують можливість спостереження функціонального зв'язку між параметрами змінного струму. При вимірі гармонійної напруги зображення, що спостерігається на екрані осцилографа (осцилограма), несе інформацію про значення амплітуди і частоти (періоду) напруги і, якщо осцилограф двопроменевий, то і про різницю фаз між двома гармонійними напругами. Осцилографічні виміри можна виконувати в широкому діапазоні частот, в електричних колах різного призначення (промислових, радіотехнічних, комп'ютерних і т.д.), у лабораторних і цехових умовах. Всі ці переваги в значній мірі надолужують основну нестачу осцилографічних вимірів - невисоку точність. Існує декілька різновидів електронних осцилографів, як-от: універсальні, що запам'ятовують, стробоскопічні, швидкісні і спеціальні. Універсальні осцилографи найбільше поширені. Розглянемо спрощену структурну схему такого приладу (мал. 3.5.1). Осцилограма на екрані електронно-променевої трубки (ЭЛТ) виникає в результаті переміщення електронного променя по поверхні екрана, покритого люмінофором. Переміщення у вертикальному напрямку відбувається під дією електричного поля пластин, що вертикально відхиляють, а в горизонтальному напрямку - відхиляючих горизонтально. На пластини, що вертикально відхиляють, подається керуюча напруга з виходу підсилювача вертикального відхилення (УВО). Значення цієї напруги пропорційне амплітуді досліджуваної напруги на одному із входів каналу вертикального відхилення «Y». На пластини, що горизонтально відхиляють, подається керуюча напруга з виходу підсилювача горизонтального відхилення (УГО). Якщо вхід УГО підключений до виходу генератора розгортки, ця напруга має пилообразну форму. Якщо вхід УГО за допомогою перемикача входів підключений до одного з виходів проміжного підсилювача вертикального відхилення (УВО), напруга розгортки змінюється в часі по такому ж закону, як і досліджувана напруга. Якщо напруга розгортки має лінійну пилообразну форму, промінь на екрані ЭЛТ буде переміщатися в горизонтальному напрямку з постійною швидкістю. У результаті осцилограма представить собою графік залежності амплітуди досліджуваного сигналу від часу, зображений у прямокутних координатах. Вхідний пристрій служить для узгодження входу осцилографа з виходом джерела досліджуваного сигналу. Лінія затримки і пристрій синхронізації служать у першу чергу для того, щоб синхронізувати між собою моменти приходу керуючих напруг на вертикальні пластини, що горизонтально відхиляють. Калібратори тривалості й амплітуди являють собою вбудовані в осцилограф генератори сигналів, амплітуда і частота вихідної напруги яких відомі і відтворюються з високою точністю. 3 З сказаного ясно, що похибка у відтворенні форми досліджуваного сигналу на екрані ЭЛТ буде визначатися в першу чергу двома чинниками: 1) точністю, із якою дотримується відношення пропорційності між поточним значенням досліджуваної напруги і значенням керуючої напруги, прикладеної до пластин , що вертикально відхиляють 2) точністю, із якою дотримується сталість швидкості променя при його переміщенні уздовж горизонтальної осі ЭЛТ. Для нормування цих чинників використовуються такі метрологічні характеристики осцилографа, як коефіцієнт відхилення каналу «Y» - Кв, названий також коефіцієнтом вертикального відхилення, і коефіцієнт розгортки - Кр. Під коефіцієнтом відхилення розуміють відношення значення напруги U на вході каналу вертикального відхилення до розміру вертикального переміщення h променя на екрані ЭЛТ, що відбувся під впливом цієї напруги:  . (3.5.2)Цей розмір має розмірність В/см, мВ/см або В/поділку, мВ/поділку. Вибір розмірності залежить від того, в яких одиницях вимірюється переміщення променя - у сантиметрах або в поділках шкали координатної сітки, нанесеної на екран ЭЛТ осцилографа. Коефіцієнт відхилення характеризується діапазоном каліброваних значень і основної похибки. Калібровані значення вибираються з ряду Кв=(1, 2, 5)10n, де n=-3, -2, -1, 0, 1 і 2. Основна похибка Кв нормується відповідно до класу осцилографа (див. табл. 3.5.1). Під коефіцієнтом розгортки Кр розуміють відношення тривалості прямого ходу Тп променя на екрані ЭЛТ до величини здійсненого за час Тп горизонтального переміщення L променя на екрані ЭЛТ  (3.5.3)Ця величина має розмірність час/см, або час/поділку. Коефіцієнт розгортки характеризується діапазоном каліброваних значень і основної похибки. Калібровані значення вибираються з ряду Кв=(1, 2, 5)10n, де n=-3, -2,-1, 0, 1 і 2. Основна похибка Кр нормується відповідно до класу осцилографа (табл. 3.5.1). Таблиця 3.5.1.
Виміри за допомогою осцилографа можна проводити як методом безпосередньої оцінки, так і методом порівняння з мірою. Вимір значення напруги методом безпосередньої оцінки зводиться до визначення Кв, що фактично є ціною поділки шкали, і до визначення вертикальних 4 частоту і фазове зрушення на виході калібратора, а також коефіцієнт розгортки і чутливість каналу вертикального відхилення осцилографа, простежите за змінами зображення на екрані осцилографа. 5.3. Підготуйте моделі приладів до роботи. • Включіть за допомогою тумблера «СЕТЬ» калібратор фазових зрушень і осциллограф. • Установіть регулятори рівня вихідних сигналів калібратора в середнє положення. • Установіть значення кута фазового зрушення між сигналами на виходах калібратора рівним 0 . • Установіть перемикач керування режимом вхідних каналів осцилографа в положення II (одноканальний режим, підключений II канал). • Установіть режим внутрішньої синхронізації розгортки осцилографа (перемикач «Внутр.-Внеш.» знаходиться в положенні «Внутр.»). • Установіть перемикач чутливості вхідних каналів осцилографа в таке положення, щоб вхідний сигнал цілком розміщувався на екрані і був найбільшого розміру. • Установіть перемикач коефіцієнта розгортки осцилографа в таке положення, щоб на екрані розміщувалось приблизно один-два періоди досліджуваного сигналу. 5.4. Приступіть до виконання лабораторної роботи. Завдання 1. Вимір за допомогою осцилографа амплітуди гармонійної напруги: а) Установіть частоту вихідного сигналу калібратора рівною 10 кГц. б) Підберіть підхожий коефіцієнт вертикального відхилення, при якому розмір зображення по вертикалі (розмах зображення) буде максимальним. в) Подберіть такий коефіцієнт розгортки, щоб на екрані розміщувалось декілька періодів досліджуваної напруги і було зручно визначити розмах зображення. г) Виміряйте розмах зображення. д) Запишіть у звіт показання осцилографа і калібратора, а також відомості про клас точності використовуваних засобів вимірів. е) Залишаючи незмінною частоту досліджуваного сигналу, виконаєте виміри відповідно до пп. «б»-«д» для 5-6 різних значень напруги на виході калібратора. Завдання 2. Вимір за допомогою осцилографа періоду і частоти гармонійної напруги а) Установіть амплітуду вихідного сигналу калібратора приблизно 1 В. б) Установіть частоту сигналу на виході калібратора рівною 50 Гц. в) Виберіть для виміру канал II осцилографа і включіть режим лінійної розгортки з внутрішньою синхронізацією (перемикач «Внутр.-Внеш.» знаходиться в положенні «Внутр.»). г) Підберіть підхожий коефіцієнт вертикального відхилення, при якому розмах зображення буде максимальним. д) Підберіть такий коефіцієнт розгортки, щоб на екрані розміщувалось 2-3 періоди досліджуваної напруги. е) Виміряйте лінійний розмір зображення, що відповідає одному періоду досліджуваного сигналу. 9 вважати, що використовувана модель осцилографа відповідає класу точності II (див. таблицю 3.5.1).  Мал. 3.5.4. Модель лабораторного стенда на робочому столі комп'ютера при виконанні лабораторної роботи №3. 5 (1 - електронний осцилограф, 2 - калібратор фазових зрушень) Модель калібратора фазових зрушень використовується при моделюванні роботи зразкового джерела двох змінних напруг синусоїдальної форми, параметри котрих (амплітуда і частота сигналів і фазове зрушення між ними) можуть регулюватися. Схема з'єднання приладів при виконанні вимірів приведена на мал. 3. 5.5.  Мал. 3.5.5. Схема з'єднання приладів при виконанні роботи №3.5 5. Робоче завдання 5.1. Запустіть програму-оболонку лабораторного практикуму і виберіть лабораторну роботу № 3.5 «Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа» у групі робіт «Измерение электрических величин». На робочому столі комп'ютера автоматично з'являться модель лабораторного стенда з моделями засобів вимірів (мал. 3.5.4) і вікно створеного в середовищі MS Excel лабораторного журналу, що служить для формування звіту за результатами виконання лабораторної роботи. 5.2. Ознайомтеся з розташуванням моделей засобів вимірів на робочому столі. Включіть моделі засобів вимірів і випробуйте їхні органи керування. У процесі випробування установіть регулятор вихідної напруги калібратора в середнє положення і спостерігайте форму сигналу на екрані осцилографа. Змінюючи напругу, 8 розмірів зображення h на екрані ЭЛТ. Оцінка значення напруги, що вимірюється Ux утворюється зі співвідношення: Ux = Kвh. (3.5.4) Визначення коефіцієнта Кв проводиться шляхом калібрування каналу вертикального відхилення. Ця процедура виконується за допомогою калібратора амплітуди (мал. 3.5.1 ). З співвідношення (3.5.4) видно, що оцінка значення напруги що вимірюється виконується на підставі відомої залежності між шуканим значенням і іншими значеннями які одержують у результаті прямих вимірів. Таким чином, осцилографічні виміри методом безпосередньої оцінки є непрямими вимірами. Отже межу відносної похибки результатів виміру напруги можна оцінити по формулі:  . (3.5.5)Ппохибка коефіцієнта відхилення визначається класом осцилографа. Ясно, що це інструментальна складова похибки. Похибка визначення розмірів зображення  залежить, у першу чергу, від ширини лінії променя на екрані ЭЛТ. Ширина лінії в залежності від розмитості і розфокусування зображення на екрані складає від 0,2 мм до 1,0 мм для різних типів осцилографів. Таким чином, похибка визначення розмірів зображення на екрані також по своїй суті є інструментальною, але в неї входить і похибка параллакса при знятті відліків, тому похибку визначення розмірів зображення на екрані осцилографа звичайно називають похибкою відліку. Похибка відліку тим менше, чим більше розмір зображення, що спостерігається на екрані, і чим тонше промінь. Сучасні осцилографи мають поперечні розміри екрана до 10-15 см, типова похибка відліку для них складає від 0,5% до 2%.При вимірі напруги за допомогою осцилографа методом порівняння з мірою використовується різновид методу, відомий як метод заміщення. Метод заміщення полягає в тому, що вимірювана величина заміщається відомою величиною відтвореною мірою (наприклад, вбудованим калібратором амплітуди). Напруга на виході калібратора, при якій показання осцилографа такі ж, як при вимірі шуканої напруги, дорівнює значенню напруги що вимірюється. Вимір періоду Т гармонійної напруги методом безпосередньої оцінки виконується практично так само, як вимір Ux, і зводиться до визначення Кр, що є ціною поділки шкали, і до визначення горизонтальних розмірів зображення L на екрані ЭЛТ. Відмінність полягає в тому, що для калібрування коефіцієнта Кр використовується калібратор тривалості. Оцінка тривалості періоду що вимірюється робиться по формулі: Т=КрL. (3.5.6) Виміри непрямі, і межа відносної похибки результатів виміру періоду обчислюється по формулі:  . (3.5.7)Частота коливань - величина, обернена їхньому періоду. Спочатку за допомогою осцилографа вимірюється значення періоду Т досліджуваної напруги, а 5 значення частоти f у герцах визначається по формулі:  . Для визначення значення круговий (циклічної) частоти служить співвідношення  .При вимірі періоду і частоти за допомогою осцилографа методом порівняння з мірою використовується різновид методу, називаний методом співпадіння. Метод співпадіння полягає в тому, що різниця значень величини що вимірюється і величини відтвореної мірою (наприклад, вбудованим калібратором тривалості або зразкового генератора сигналів) визначають, використовуючи збіг оцінок шкал або періодичних сигналів. Саме в такий спосіб виконуються виміри методом ітерференційних фігур (фігур Ліссажу) і методом кругової розгортки. Кут зрушення фаз являє собою модуль різниці фаз двох гармонійних сигналів U1(t) і U2(t) однакової частоти. Таким чином, якщо U1 (t)= U1m sin(t+1), a U2 (t)= U2m sin(t + 2), те відповідно до визначення кут зрушення фаз дорівнює: =|1-2| (3.5.8) якщо 1 і 2 постійні в часі, то від часу не залежить. При =0 гармонійні напруги називаються синфазними, при =± - протифазними. Вимір кута зрушення фаз методом безпосередньої оцінки може виконуватися способом лінійної розгортки або способом еліпса (фігур Ліссажу). У першому випадку на екрані двопроменевого осцилографа одержують зображення кривих U1 (t) і U2 (t), взаємне розташування яких несе шукану інформацію (мал. 3.5.2). Значення кута зрушення фаз у градусах обчислюють по формулі:  , (3.5.9)де ab і ас - довжина відповідних відрізків осцилограми. Виміри непрямі, отже, межу відносної похибки результатів виміру кута зрушення фаз можна обчислити по формулі:  (3.5.10)Співвідношенням (3.5.10) можна користуватися, якщо похибки, обумовлені зсувом горизонтальних осей зображення щодо один одного і нелінійністю розгортки, досить малі. У цілому абсолютна похибка виміру цим методом складає, як правило, ±(5 ÷ 10 ).  Рис 3.5.2. Вимір кута зрушення фаз способом лінійної розгортки Дщо кращі результати можуть бути досягнуті при використанні способу еліпса (фігур Ліссажу). При виконанні вимірювання цим способом одна з напруг 6 подається на вхід каналу вертикального, а інша - горизонтального відхилення осцилографа. Генератор лінійної розгортки при цьому виключений. На мал.3.5.3 показане зображення, що утворюється на екрані при різних кутах фазового зрушення.  Мал. 3.5.3. Вимір кута зрушення фаз способом еліпса При використанні способу еліпса кут зрушення фаз можна визначити по формулі:  , (3.5.11)де h і Н - довжина відрізків на осцилограмі (мал. 3. 5.3 ). Перед виміром h і Н необхідно сполучити центр еліпса з початком координат шкали. Для цього по черзі відключають напруги Ux і Uy і сполучають середини отриманих вертикального і горизонтального відрізків із центром шкали. При використанні методу результати виміру, як видно з формули (3.5.11), однозначно інтепретуються тільки в діапазоні від 0 до 180 . Абсолютну похибку вимірів можна визначити по формулі:  , рад. (3.5.12)Вона не перевищує ±2 при q>, близьких до 0 або 180 , і зростає до ±10 при наближенні до 90 . При вимірі кута зрушення фаз методом порівняння з мірою використовується різновид методу, називаний нульовим методом. У цьому випадку в коло однієї з досліджуваних напруг включають фазозмінник, наприклад RC - ланцюжок, мостову або трансформаторну схему. При рівності фаз між досліджуваними напругами на екрані осцилографа замість еліпса буде спостерігатися відрізок прямої. Цей метод вимірів помітно точніше, чим попередній, відносна похибка вимірів складає 1-2%, а частотні властивості фазозмінника визначають діапазон робочих частот. 4. Опис лабораторного стенда Лабораторний стенд являє собою LabVIEW комп'ютерну модель, що розташовується на робочому столі персонального комп'ютера. На стенді знаходяться моделі електронного осцилографа і калібратора фазового зрушення (мал. 3.5.4). При виконанні роботи моделі засобів вимірів і допоміжних пристроїв служать для рішення описаних нижче задач. Модель електронного осцилографа використовується при моделюванні процесу виміру параметрів перемінної напруги. При виконанні роботи варто 7 |
|||||||||||||||||||
Схожі:
|
Вимірювання кута фазового зрушення у віртуальному комп’ютерному середовищі... Придбання навиків вимірювання кута фазового зрушення. Одержання відомостей про характеристики і будову та навиків роботи цифрового... |
Чим визначається методична похибка непрямих вимірів сили постійного... Коли при вимірі сили постійного струму амперметром використовуються зовнішні шунти? |
|
1 У хворого при обстеженні в сечі і крові знайдена фенілпіровиноградна... Чого і був встановлений діагноз – фенілкетонурія. Яким методом її можна підтвердити? |
Урок №5 Тема. Означення кута. Рівність кутів. Бісектриса кута. Вимірювання та відкладання кутів Мета: домогтися від учнів засвоєння змісту таких понять: «кут», «елементи кута», «позначення кута», «внутрішня область кута», «промінь,... |
|
14. 03. 2012 г. Плиты перекрытий железобетонные многопустотные, изготавливаемые... ... |
ПРОГРАМ А Розділ Проблеми та обґрунтування необхідності їх розв’язання програмним методом |
|
2. Задача Методом квадратичної інтерполяції знайти min F(x)=x2 4x,... Методом квадратичної інтерполяції знайти min F(x)=x2 4x, починаючи пошук з крапки х0=2 |
ПРОГРАМ А Розділ Проблеми та обґрунтування необхідності їх розв’язання програмним методом |
|
ПРОЕКТПРОГРАМ И Розділ Проблеми та обґрунтування необхідності їх розв’язання програмним методом |
ПРОГРАМ А Розділ Проблеми та обґрунтування необхідності їх розв’язання програмним методом |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua