POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza
advertisement
POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI ZAKŁAD METROLOGII I SYSTEMÓW POMIAROWYCH METROLOGIA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, ul. W. Pola 2 35-959 Rzeszów, rylski @prz.rzeszow.pl http://rylski.sd.prz.edu.pl/ Pomiary wielkości elektrycznych i magnetycznych: • napięcia i prądu, • częstotliwości i okresu, • przesunięcia fazowego. Pomiary napięcia i prądu Wprowadzenie 1.1 Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego [1] str. 86 1.2 Właściwości dynamiczne 1.3 Właściwości statyczne - ocena przetworników pomiarowych w procesie ich uwierzytelniania [1]str.77 1.4 Opis dokładności przyrządu pomiarowego błędem addytywnym i multiplikatywnym [1] str. 83 1.5 Porównanie wpływu zmienności przedziału błędów na wyznaczenie zbioru wspólnego [1] str.85 2.1 Pomiary napięcia str.73 2.2 Pomiary napięcia - kompensatory 2.3 Błędy woltomierzy analogowego i cyfrowego [1] str. 86 2.4 Zadanie 1, str. 89 2.5 Zaokrąglenie wyznaczanych wartości błędów [2]str.31 2.6 Zaokrąglenie wyznaczanych wartości wielkości [2] str.32 2.7 Zadanie 2, [1] str. 91 2.8 Zadanie 3 [1], str.92 2.9 Podsumowanie 3.1 Woltomierze cyfrowe [1] str. 94 3.2 Woltomierz wielofunkcyjny [1] str. 95 3.3 Zagadnienia do opracowania, literatura Pomiary częstotliwości, okresu, przesunięcia fazy - metody analogowe i cyfrowe Zagadnienia Pomiary częstotliwości - wzorce Wzorzec pierwotny częstotliwości Kwarcowe wzorce częstotliwości Budowa generatorów pomiarowych Wobulator Metody pomiaru częstotliwości sygnału Metoda cyfrowa bezpośredniego pomiaru częstotliwości Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous Podsumowanie Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [3]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str. 111-127, skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [4]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str.40- 43, skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004, Pomiary częstotliwości - wzorce Df/f X 10 10-4 10-5 -8 A 4 P3 10-6 3 10-7 10-8 P1 P2 B 2 10-9 1 10-10 10-11 niestabilność wzorca atomowego 0 C 10-12 -1 10-13 10-14 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 195 1990 6 Rys. 4.1. Wzrost dokładności wzorców w latach 1920-1990 A. wzorce kamertonowe B . wzorce kwarcowe C. wzorce atomowe 195 7 1958 195 9 Rys. 4.2. Stabilność wzorców kwarcowych w czasie, w porównaniu z wzorcem atomowym Wzorce czasu: wzorce pierwotne (wzorce laboratoryjne najwyższej klasy ) Czas atomowy międzynarodowy - TAI (Temps Atomique International Czas uniwersalny średni - TU1 (Tempa Universel 1) ; wzorce wtórne wzorce użytkowe 4.1Wzorzec pierwotny częstotliwości Ekrany magnetyczne Piec cezowy Selektor magnetyczny Komora mikrofalowa Selektor magnetyczny II Powielacz jonów Detektor promieniowania DATUM FTS 4040A/RS CESIUM FREQUENCY STANDARD Spektrometr masowy Wejście mikrofalowe f=9192631770Hz wyjście Rys. 4.3. Schemat funkcjonalny cezowej lampy promieniowej Aktywny Maser Hydrogenowy CH1-75 W piecu emitowane są atomy o dwóch poziomach energetycznych F=4 i F=3 Po selektorze tylko F=4 W komorze przechodzą do grupy F=3 Po selektorze tylko F-3 W detektorze następuje przejście do F=4 Uzyskaną tak falę promieniowania mierzy detektor fotonowo/jonowy Jony zostają uporządkowane w spektrometrze masowym są przesłane na powielacz i wzmacniacz Prąd wyjściowy zawiera składową stałą i składową przemienną o bardzo stabilnej częstotliwości 137 Hz. fw=5MHz Wzmacniac z generator kwarcowy 5MHz C syntetyzer f3 modulator f2-90MHz generator Harmoniczny ch f4 generator fs=137Hz lampa cezowa promieniowa Iwy R detektor Wzmacniac z Rys. 4.4. Schemat struktury atomowego etalonu częstotliwości 4.2Kwarcowe wzorce częstotliwości termostat ARW rezonator kwarcow y wzmacniacz stabilizator temperatury separator wy zasilacz Rys. 4.5. Schemat blokowy generatora częstotliwości wzorcowej ze stabilizacją kwarcową Generatory pomiarowe, podział i wymagania generatory częstotliwości podakustycznych ( 0,001 Hz ¸ 20 Hz) generatory częstotliwości akustycznych ( 20 Hz ¸ 20 kHz) generatory częstotliwości ponadakustycznych ( 20 kHz ¸ 200 kHz) generatory wielkiej częstotliwości ( 100 kHz ¸ 150 MHz) generatory bardzo wielkiej częstotliwości ( 150 MHz ¸ 300 GHz) generatory małej mocy ( Pwy < 0,1 W ) generatory średniej mocy ( Pwy < 10 W ) generatory dużej mocy ( Pwy > 10 W ) generatory napięć sinusoidalnych generatory funkcyjne: generatory impulsów prostokątnych, generatory przebiegów trójkątnych i piłokształtnych generatory szumów generatory dewiacyjne. Budowa generatorów pomiarowych wzmacniac z mocy generator wzbudzający woltomierz wzmacniac z separator R częstościomierz dzielnik napięcia Rys. 4.6. Schemat funkcjonalny generatora pomiarowego Uwe + Uwy wy 2A – Wzorzec częstotliwości synchronizowany drogą radiową - TANIA ALTERNATYWA umożliwia odbiór sygnałów na częstotliwościach 198 kHz (Droitwich Radio 4) oraz 162 kHz (France Inter). zastosowanie w szeregu aplikacji, takich jak: analizatory widma, mikrofalowe analizatory sieciowe, czasomierze, odbiór stacji bazowych systemów TETRA, GSM, CDMA oraz VHF/UHF PMR. C R 1 R C R R 2 bku=1 (4.2) j1+j2=2np (4.3) Rys. 4.7. Schemat układu generatora z mostkiem Wiena zakres częstotliwości 0,1 Hz ¸ 1 MHz. współczynnikiem zniekształceń nieliniowych (poniżej 0,1%) dużą stabilnością częstotliwości (1,5 × 10-4 ¸2,5 ×10-3). MG3690A – Rodzina Generatorów Sygnałowych (Syntezerów) od 0,1Hz do 65GHz Seria wysokiej klasy szerokopasmowych generatorów mikrofalowych MG3690A składa się z 6 modeli pokrywających pasmo od 0.1 Hz do 65 GHz z rozdzielczością 0,01Hz. Wobulator wobuloskop wobulator obiekt badany gnerator w.cz oscyloskop we układ periodycznego przestrajania x y napięcie podstawy czasu Rys. 4.8. Schemat blokowy wobuloskopu detektor Metody pomiaru częstotliwości sygnału . Interferencyjna metoda pomiaru częstotliwości a. b. x w MIESZACZ Wskaźnik zera dudnień -Df +Df Rys. 4.9. Pomiar częstotliwości metodą interferencyjną. a.schemat blokowy pomiaru metodą interferencyjną. b. idealny przebieg porównania -Df Df Rys. 4.10. Rzeczywiste charakterystyki porównania sygnałów metodą interferencyjną 4.8 Metoda cyfrowa bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości U=U(fx) 1 3 pamięć licznik 2 dzielnik fw enkoder pole odczytowe sterowanie Rys. 4.12. Schemat blokowy metody cyfrowej bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości Metoda bezpośrednia 1 Metoda pośrednia t 2 t 3 t 1 t 2 t 3 t Podstawowym warunkiem pomiaru jest : fX>>fW; f X N fW (4.6) fX<<fW wówczas liczba zliczonych impulsów odpowiada mierzonej częstotliwości i można ją wyrazić wzorem: fX fW + B + r (4.7) (4.8) TX N (4.10) 1 fw f X fW + B + r (4.11) fX 1 Tx (4.13) (4.12) 4.10 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu - wyjaśnienie pracy w oscyloskopu U – napiecie mierzone, obserwowane na ekranie Ulevel – napięcie poziomu wyzwalania Uwy – napięcie wyzwalania generatora podstawy czasu Upcz – napięcie generatora podstawy czasu 4.10 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu Wzmacniac z Y1 klucz elektroniczny Wzmacniac z Y2 WE Y2 WE Y1 T W Umsint 1 Blok synchronizacj i Y1/Y2 Generator podstawy czasu H 2 Generator pracy przemiennej i próbkującej L Rys. 4.16. Schemat pomiaru częstotliwości oscyloskopem z wykorzystaniem podstawy czasu T[s] T[dz] S x [s / dz] f Df 1 T p 100 (4.15) (4.16) f + l + t 1 + d Sx 100 L S x (4.17) 4.11 Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous Wzmacniac z Y1 klucz elektroniczny Wzmacniac z Y2 WE Y2 WE Y1 W Umsint 1 Blok synchronizacj i Y1/Y2 Generator podstawy czasu Umsin w t H 2 Generator pracy przemiennej i próbkującej L Rys. 4.17. Układ do pomiaru częstotliwości metodą krzywych Lissajous Obraz ten może przedstawiać następujące treści: elipsa, koło ósemka ósemka leżąca w A B - /w= 1/1 - /w= 1/2 - /w= 2/1 (4.18) A – liczba przecięć obrazu z osią X B – liczba przecięć obrazu z osią Y w + p + o (4.19) Pytania: Pytania: Wymień wzorce częstotliwości. 1. Budowa kwarcowego wzorca częstotliwości. 2. Właściwości metrologiczne kwarcowego wzorca częstotliwości. 3. Budowa molekularnego wzorca częstotliwości. 4. Właściwości metrologiczne molekularnego wzorca częstotliwości. 5. Podział generatorów. 6. Schemat blokowy generatora pomiarowego. 7. Ganerator z mostkiem Wiena. 8. Generatory dewiacyjne, wobuloskop. 9. Wymień metody pomiaru częstotliwości. 10. Pomiar częstotliwości przez zdudnianie. 11. Pomiar częstotliwości metodą analogową. 12. Pomiar częstotliwości metodą cyfrową bezpośrednią. 13. Pomiar częstotliwości metodą cyfrową pośrednią. 14. Metody interferencyjne pomiaru częstotliwości. 15. Metody oscyloskopowe pomiaru częstotliwości. 16. Metoda krzywych Lissajous Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [1]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str. 111-127, skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [2]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str.40- 43, skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004, Pomiar przesunięcia fazy U 5.1 Fazomierze cyfrowe u 0 Układ kształtujący Układ różniczkujący Ogranicznik amplitudy U t UK1 s1 We I s Wzorcowanie P Pomiar 2 1 Układ różniczkujący Układ kształtujący Q u Bramka r u tx ~ jx 1 Ogranicznik amplitudy U Q l Licznik Transkoder Pole odczytowe 0 t UK2 0 t s2 Generator We II impulsów Us1 wzorcowych 0 Us2 Rys. 5.1. Schemat blokowy fazomierza cyfrowego 1 Tx N x N 1Tw fw tx = N2 Tw 0 (5.2) t NT N j x x 360 2 w 360 2 360 Tx N1Tw N1 Ut1 (5.1) 0 Ut2 t Tx t N1 t 0 (5.3) tx t Rys. 5.2. Przebiegi czasowe w fazomierzu cyfrowym f w 3,6 10 f x (5.4) k jx j 360 N 2 3,6 10 N 2 N 2 10 2-k k N1 3,6 10 2 100 + g + B + p + s + z N2 (5.5) (5.6) błąd zliczania 1/N2, niestałość częstotliwości wzorcowej ( g), błąd bramkowania B , niejednakowe opóźnienia w obu kanałach ( p), niestałość częstotliwości sygnału mierzonego( s), błąd Z uwarunkowany zniekształceniami przebiegu badanego. ( z), Cyfrowy pomiar przesunięcia fazy z uśrednianiem a Pole odczytowe Układ kształtujący Przerzutnik bramkujący a Układ kształtujący Bramk a B1 b Bramk aB2 d Licznik a c Dzielnik częstotliwości Generator impulsów wzorcowych b Transkoder u u 1 2 t tx Rys. 5.3. Układ cyfrowego pomiaru przesunięcia faz z uśrednianiem Tx t N Nx c Nx tx T f j f wt x f x x j x w x Tw 2p f x 2p jx 2p N k (5.7) t (5.8) d tB2 t N Rys. 5.4. Przebiegi czasowe w układzie cyfrowego pomiaru przesunięcia faz z uśrednianiem 5.2 Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu elektronicznego Wzmacniac z Y1 klucz elektroniczny Wzmacniac z Y2 WE Y2 WE Y1 b W Umsint Umsin(t+j) 1 2 a Blok synchronizacj i Y1/Y2 Generator podstawy czasu Generator pracy przemiennej i próbkującej L c) 90 90 80 70 60 50 Rys. 5.5. Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą dwukanałowego oscyloskopu elektronicznego: a)schemat blokowy; b) odczyt przesunięcia fazy na podstawie oscylogramu 40 30 20 10 Pomiar fazy metodą krzywych Lissajous 90 80 70 60 10 A B E 30 20 10 80 90 G H Uy=Umysin(t+j ) 20 C D 30 40 50 60 70 80 90 Ux=Umxsint OB OA 40 10 F sin j 50 (5.18) sin j BC FG AD EH (5.19) 20 30 40 50 60 70 Pytania: Pytania: 1. Wymień metody analogowe pomiaru okresu i przesunięcia fazowego. 2. Wymień metody cyfrowe pomiaru okresu i przesunięcia fazowego. 3. Zasada pracy fazomierza cyfrowego z pomiarem czasu. 4. Zasada pracy fazomierza cyfrowego z uśrednianiem. 5. Pomiar okresu i przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym. 6. Pomiar okresu i przesunięcia fazowego - krzywe Lissajous. Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [3]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str. 111-127, skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [4]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str.40- 43, skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004,
