metrologia - Politechnika Rzeszowska

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
Pomiary wielkości elektrycznych: napięcia, prądu, częstotliwości, okresu,
przesunięcia fazy – metody analogowe i cyfrowe
Kolokwium
uB 
 0,5893

 0,4893
3
 0,3402  0,35


[mV ]

0
,
2825

0
,
29


 0,35
U  (163,1, 
)[ mV ] rozk
 0,29
równomierny
Pomiary wielkości elektrycznych: napięcia, prądu,
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 częstotliw
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
Umsint
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
Umsint
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,