Вимірювання кута фазового зрушення у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW Опис лабораторної роботи

Скачати 109.03 Kb.

Назва	Вимірювання кута фазового зрушення у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW Опис лабораторної роботи
Дата	12.04.2013
Розмір	109.03 Kb.
Тип	Документи

bibl.com.ua > Фізика > Документи

Вимірювання кута фазового зрушення у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW

Опис лабораторної роботи

2007

1. Мета роботи

Придбання навиків вимірювання кута фазового зрушення. Одержання відомостей про характеристики і будову та навиків роботи цифрового фазометра.

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

Перед виконанням роботи повторіть питання обробки і представлення результатів прямих і непрямих вимірів і ознайомтеся із наступними питаннями.

• Змінна електрична напруга і параметри, що його характеризують.

• Вимір кута фазового зрушення методами безпосередньої оцінки і порівняння з мірою.

• Причини виникнення і способи обліку похибок при вимірі кута фазового зрушення.

• Будова, принцип дії й основні характеристики електронних (аналогових і цифрових) фазометрів.

• Зміст і способи реалізації методів виміру, використовуваних при виконанні роботи.

• Будова і характеристики засобів вимірів, використовуваних при виконанні роботи.

Фазою гармонійної напруги U(t)=Um sin(t+₀)називається аргумент функції U(t), що описує коливальний процес. Фаза гармонійної напруги є лінійною функцією часу. Кут зрушення фаз являє собою модуль різниці фаз двох гармонійних сигналів U1(t) і U2(t) однакової частоти. Таким чином, якщо U1(t) = U1msin(t+₁), а U2(t)=U2m sin(t+₂), те відповідно до визначення кут зрушення фаз  дорівнює =|_1-₂.|

Якщо, ₁ і ₂ постійні в часі, то  від часу не залежить. При =0 гармонійні напруги називаються синфазними, при

- протифазними. Вибір методу виміру кута зрушення фаз залежить від діапазону частот, амплітуди сигналу і головним чином від необхідної точності виміру. Вимір кута зрушення фаз може виконуватися як методом безпосередньої оцінки, так і методом порівняння. Результат виміру виражається або в градусах, або в радіанах. Вимірювальні прилади, спеціально призначені для виміру кута зрушення фаз, називаються фазометрами. Кут зрушення фаз може бути обмірюваний також за допомогою осцилографа.

Вимір кута зрушення фаз методом безпосередньої оцінки може бути виконаний за допомогою фазометрів різних типів.

При вимірі на низьких частотах у промислових колах зручно використовувати електромеханічні фазометри на основі електродинамічних і ферродинамічних логометрів. Однак вони мають порівняно низький клас точності від 0,5 до 2,5, і їхній показання помітно залежать від частоти.

Електронні аналогові фазометри використовують принцип перетворення фазового зрушення в тимчасовий інтервал. Цей тимчасовий інтервал формується в приладі так, що його тривалість пропорційна значенню кута зрушення фаз що

2

вимірюється. Протягом цього часового інтервалу через магнітоелектричний вимірювальний механізм приладу протікає постійний струм фіксованого значення, у результаті показання виявляються пропорційними значенню величини що вимірюється. Електронні аналогові фазометри можуть використовуватися в різних колах і дозволяють вимірювати кут зрушення фаз у діапазоні частот від десятків герц до одиниць мегагерц. Відносна похибка таких фазометрів складає 1-2%, спроможність - приблизно 1^о, їм властиві загальні для аналогових приладів недостатки.

У лабораторних умовах у малопотужних ланцюгах для виміру кута зрушення фаз методом безпосередньої оцінки зручно використовувати осцилограф. Такі виміри можуть виконуватися методом лінійної розгортки або методом еліпса (фігур Ліссажу). У першому випадку на екрані одержують зображення двох кривих U1(t) і U2(t), взаємне розташування яких несе шукану інформацію, у другому випадку на екрані осцилографа спостерігається еліпс, форма якого визначається значенням кута зрушення фаз. Вимір кута зрушення фаз за допомогою осцилографа можна виконувати в широкому діапазоні частот, але їхня точність невелика.

Осцилограф можна також використовувати для виконання вимірів кута зрушення фаз методом компенсації. При рівності фаз між досліджуваними напругами на екрані осцилографа замість еліпса буде спостерігатися відрізок прямої. Цей метод вимірів помітно точніше, чим попередній. Діапазон робочих частот у цьому випадку визначається головним чином частотними характеристиками фазозмінника.

У діапазоні частот від долей герца до десятків мегагерц найкращі результати по точності дає цифровий фазометр. Такі фазометри також рекомендується застосовувати в малопотужних колах і при спотвореній формі напруги.

У цій роботі для виміру кута зрушення фаз використовується саме цифровий фазометр. Ррозглянемо принцип його дії.

У основі роботи цифрових фазометрів усіх систем лежить принцип перетворення кута зрушення фаз у часовий інтервал, тривалість якого пропорційна значенню вимірюваної величини. Тривалість часового інтервалу визначається при цьому методом дискретного рахунку безпосередньо або з проміжним перетворенням тривалості тимчасового інтервалу в пропорційне йому значення величини напруги постійного струму.

Фазометри з безпосереднім перетворенням значення тривалості часового інтервалу в код, у свою чергу, підрозділяються на дві групи: із виміром за один період вхідних напруг і з виміром за декілька періодів вхідних напруг. Фазометри першої групи називаються фазометрами миттєвого значення, а другої групи - фазометрами середнього значення. Фазометри середнього значення, називані також фазометрами з постійним часом виміру, завдяки гарним характеристикам одержали найбільше поширення.

На мал. 3.7.1 приведено структурну схему такого фазометра. Вхідні синусоїдальні напруги U1 і U2 за допомогою формуючих пристроїв перетворяться в періодичні послідовності коротких імпульсів, зрушені щодо один одного на

часовий інтервал

. Ці імпульси, попадаючи на два входи пристрою керування, формують на його виході послідовність прямокутних імпульсів

3

тривалістю Т и періодом проходження Т. Отримані прямокутні імпульси подаються на вхід 2 (керуючий) часового селектора I, а на його вхід 1 (сигнальний) подається послідовність коротких імпульсів із виходу генератора рахункових імпульсів, період проходження яких дорівнює Т_сч. У результаті на виході часового селектора I формується послідовність пачок рахункових імпульсів (мал. 3.7.2). За умови що Т>Т_сч, число імпульсів n у кожній пачці без обліку похибок може бути підраховане по формулі:

. (3.7.1)

Мал. 3.7.1. Структурна схема цифрового фазометра з усередненням

Мал. 3.7.2. Часові діаграми роботи цифрового фазометра

Ці пачки рахункових імпульсів подаються, у свою чергу, на вхід 1 часового селектора II. На його вхід 2 з виходу формувача, у якості якого працює дільник частоти, подається прямокутний імпульс тривалістю Т_изм. У результаті на виході часового селектора II утвориться кінцева послідовність пачок рахункових імпульсів (мал. 3.7.1 і 3.7.2).

Тривалість одного циклу вимірів Т_изм вибирається так, щоб

Т_измТ_нижн. (3.7.2)

4

де Т_нижн - період самої низькочастотної напруги, досліджуваної фазометром. При виконанні цієї умови загальну кількість рахункових імпульсів N, що потрапили на вхід лічильника, можна визначити по формулі:

. (3.7.3)

Похибка у визначенні N по формулі (3.7.3) тим менше, чим більше число імпульсів n у кожній пачці і чим краще виконується умова (3.7.2).

Код числа N із виходу лічильника надходить на цифровий індикатор.

Якщо тривалість одного циклу вимірів вибрати відповідно до виразу

, де К - коефіцієнт розподілу частоти, то вираз (3.7.3) можна записати у вигляді:

. (3.7.4)

Значення величини К вибирають, як правило, з умови К=720× 10^m , де m - 0; 1; 2 і т.д.

У цьому випадку для значення кута зрушення фаз одержуємо:

. (3.7.6)

де q - значення одиниці молодшого розряду цифрового відлікового пристрою -фазометра.

При m=0 маємо q=1, при m=1 - відповідно q=0,1 , при m=2 -відповідно q=0,01 і т.д.

Видно, що такий цифровий фазометр є прямопоказуючим, це одна з його переваг. Важлива особливість цифрового фазометра з усередненням є в тому, що його похибка дискретності має дві складові: одна зв'язана з обмеженим числом імпульсів у кожній пачці, а інша - з обмеженим числом пачок, що потрапляють в інтервал Т_изм. Зі зміною частоти вхідних напруг вплив цих двох складових похибки дискретності змінюється в протилежних напрямках. Зі збільшенням частоти кількість імпульсів у кожній пачці зменшується, але кількість підрахованих пачок зростає, із зменшенням частоти відбувається протилежний процес.

Зростання однієї складової похибки дискретності при зменшенні n лімітує верхню межу частотного діапазону фазометра, а зростання іншої складової при зменшенні числа пачок - нижню межу. Можна показати, що для розглянутих фазометрів значення абсолютної похибки вимірів у діапазоні частот від 20 Гц до 1 МГц звичайно складає від 0,1 до 0,5 і швидко зростає в міру зменшення або росту частоти за зазначені межі.

4. Опис лабораторного стенда

Лабораторний стенд являє собою LabVIEW комп'ютерну модель, що розташовується на робочому столі персонального комп'ютера. На стенді (мал. 3.7.3) знаходяться моделі калібратора фазового зрушення (далі калібратора) і цифрового фазометра (далі фазометра).

Модель калібратора використовується для моделювання роботи багатозначної міри, що відтворює кути фазового зрушення між двома синхронними гармонійними електричними сигналами.

Модель цифрового фазометра використовується при моделюванні процесу виміру кута фазового зрушення між двома синхронними гармонійними напругами з цифровим відображенням інформації.

Схема підключення приладів при виконанні вимірів приведена на мал. 3.7.4.

5

Мал. 3.7.3. Модель лабораторного стенда на робочому столі комп'ютера при виконанні роботи № 3.7 (1 - цифровий фазометр, 2 - калібратор фазових зрушень)

Мал. 3.7.4. Схема електричного з'єднання калибратора і цифрового фазометра при виконанні роботи № 3.7

5. Робоче завдання

5.1. Запустіть програму-оболонку лабораторного практикуму і виберіть лабораторну роботу № 3.7 «Измерение угла фазового сдвига» у групі робіт «Измерение электрических величин».

На робочому столі комп'ютера автоматично з'являться модель лабораторного стенда з моделями засобів вимірів і допоміжних пристроїв (мал. 3.7.3) 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 окремих засобів вимірів і інших пристроїв на робочому столі. Включіть моделі засобів вимірів і випробуйте їхні органи керування. У процесі випробування визначите можливість зміни частоти сигналів на виході калібратора і фазового зрушення між ними. Далі установіть напругу на виході калібратора рівною приблизно 1 В і переконайтеся в тому, що показання фазометра змінюються в міру зміни фазового зрушення між сигналами на виході калібратора.

5.3. Після того як ви переконаєтеся в працездатності приладів, підготуйте до роботи модель фазометра і модель калібратора.

• Включіть фазометр і калібратор (після вмикання на лицьових панелях моделей включаться табло індикації).

• Установіть регулятори вихідних напруг калібратора в середнє положення.

• Установіть значення кута фазового зрушення між сигналами на виходах калібратора рівним 0 .

• Відкалібруйте фазометр, утримуючи кнопку «Калибр.» до появи нульових показань. Після відпускання кнопки фазометр автоматично переходить у, режим вимірів.

5.4. Приступіть до виконання завдань лабораторної роботи.

6

Завдання 1. Вимір кута фазового зрушення на фіксованій частоті

а) Установіть значення кута фазового зрушення на виході калібратора рівним 0 , а значення частоти вихідних сигналів - рівним 10 кГц.

б) Повторно відкалібруйте фазометр.

в) Зніміть показання фазометра.

г) Запишіть у звіт показання фазометра, а також відомості про його клас точності.

д) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту сигналу на виході калібратора, повторіть виміри, обираючи фазове зрушення між сигналами на виході калібратора рівним послідовно 10, 30, 60, 90, 120, 150 і 180 .

е) Повторіть виміри відповідно до пп. «а»-«д», залишаючи незмінною амплітуду сигналів на виході калібратора й установивши їхню частоту рівною 0,5 Гц або 5 МГц.

Завдання 2. Вимір кута фазового зрушення на різних частотах

а) Установіть значення кута фазового зрушення на виході калібратора, рівним 10 , а значення частоти вихідних сигналів рівним 0,5 Гц.

б) Повторно відкалібруйте фазометр.

в) Зніміть показання фазометра.

г) Запишіть у звіт показання фазометра, а також відомості про нього.

д) Залишаючи незмінними амплітуду і фазове зрушення між сигналами на виході калібратора, повторіть виміри, обираючи частоту сигналів на виході калібратора рівною послідовно 50 Гц, 500 Гц, 50 кГц, 0,5 МГц, 5 МГц.

е) Повторіть виміри відповідно до пп. «а»-«д», залишаючи незмінної амплітуду сигналів на виході калібратора й установивши різницю фаз рівною 60 або 90 .

6. Оформлення звіту

Звіт крім прийнятої для нього інформації повинен містити:

• Графіки залежності абсолютної і відносної похибок вимірів від результатів вимірів (при фіксованих частоті і фазовому зрушенні) із виділеними на них припустимих похибок. Рекомендована форма таблиць для запису результатів приведена нижче.

7

7. Контрольні питання

• Потрібно виміряти кут фазового зрушення між двома гармонійними електричними сигналами рівний орієнтовно 1 (10 , 30 , 90 , 175 ) із похибкою, що не перевищує 1% (1 ). Як це краще зробити, якщо частота сигналів дорівнює 1 Гц (100 Гц, 100 кГц, 10 МГц, 1 ГГц)?

• У якому випадку гармонійні напруги називають протифазными?

• Який метод реалізується при вимірі зрушення фаз електродинамічним або ферродинамическим логометром?

• Які перетворення відбуваються з величиною в аналогових електронних фазометрах?

• У якому діапазоні частот працюють аналогові електронні фазометры?

• Які фазометри забезпечують найвищу точність у діапазоні частот від декількох герц до десятків мегагерц?

• За рахунок чого при використанні цифрових фазометрів удається забезпечити високу точність вимірів як в області високих, так і в області низьких частот?

• Чим відрізняються цифрові фазометри з усередненням і без усереднення? Коли вони використовуються?

• У якому випадку для виміру кута фазового зрушення варто вибрати електронний осцилограф?
Література

Батоврин В.К. и др. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий: Учебное пособие для вузов. – М: ДМК Пресс, 2005.
Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. – Л: Энергоиздат. 1983.
РанневГ.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измеренийЖ Учебник для вузов. - М., Академия, 2003.
Информационно-измерительная техника и технологии. Учебник для вузов. Под ред. Г.Г.Раннева. – М. Высшая школа., 2002.
Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком. 2002.
Курс лабораторних работ для дисциплины “Метрология, стандартизация, сертификация и аккредитация” Упорядочено преподавателями Власенко В.М., Чаповский М.З., Нефедова И.М.

Укладачі: Власенко В.М., Нефедова І.М.

Друк цього опису можна виконати з файла LR_3-7_druk.doc

Схожі:

Опис лабораторної роботи Вимірювання сили постійного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW	Опис лабораторної роботи Вимірювання частоти і періоду електричних сигналів у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Опис лабораторної роботи Вимірювання напруги змінного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW	Опис лабораторної роботи Вимірювання частоти і періоду електричних сигналів у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Опис лабораторної роботи Вимірювання потужності постійного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW	Прямі виміри активного електричного опору у віртуальному комп’ютерному... Одержання навиків виміру активного електричного опору. Ознайомлення з методами виміру опору. Придбання відомостей про будову і характеристики...
Опис лабораторної роботи Вимірювання параметрів гармонійної напруги за допомогою осцилографа у віртуальному	Проектування та моделювання шифраторів Опис лабораторної роботи Ознайомлення з принципом дії, основними властивостями та параметрами шифраторів, дослідження їх характеристик та логічних функцій,...
Проектування та моделювання шифраторів Опис лабораторної роботи Ознайомлення з принципом дії, основними властивостями та параметрами шифраторів, дослідження їх характеристик та логічних функцій,...	Конструювання нестандартних та особливих компонентів електронних... Виконання досліджень характеристик котушок на навчально-дослідному лабораторному стенді для фізичного моделювання електронних пристроїв...

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання