Визначення похибки градуювання генератора напруги

 

МЕТА РОБОТИ - виміряти дійсне значення частоти для декількох піддіапазонів на виході генератора напруги синусоїдальної форми за допомогою зразкового вимірювача частоти та визначити дійсне значення похибки градуювання шкали генератора.

Внаслідок виконання лабораторної роботи студент повинен

– знати: методику визначення основної похибки приладу, критерії вибору зразкового засобу вимірювань та будову і принцип дії цифрового вимірювача частоти;

– вміти: вибрати оптимальні режими роботи цифрового приладу при вимірюванні частоти в широкому діапазоні; оцінювати дійсне значення похибки частоти напруги на виході генератора.

 

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

 

При підготовці до роботи необхідно вивчити будову, принцип дії і характеристики цифрових частотомірів [1, с. 237-238, 240, 244-245].

Найбільш удосконалені і точні електронно-лічильні цифрові частотоміри (ЕЛЧ). У залежності від вибору режиму роботи ЕЛЧ можутьвиміряти також період коливань, інтервал часу, відношення частот.

Структурна схема приладу при вимірюванні частоти подана на рис. 5.1 і відповідає установці перемикача “Родработы” в положення «F_A» на лицьовійпанелі частотоміра Ч3-33 (див. Додаток 4).

 

Рисунок5.1 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні частоти

 

Сигнал невідомої частоти U_fX поступає через “Вхід А” на формувач F, де перетворюється в нормалізовані імпульси з частотою f_X. Ці імпульси поступають на вхід 1 електронного часового ключа-селектора SW, де порівнюються за часом з імпульсом заданої тривалості Т_рах, що поступає на вхід 2 цього ж ключа. У відкритому стані ключа SW серія імпульсів N_X поступає в цифровий лічильний пристрій ЦЛП, де підсумовується лічильником і відображається на табло в десятинному цифровому коді

 

N_X =T_PAX / T_X = T_PAX ∙f_X.

Джерелом імпульсів заданої тривалості єкварцевий генератор G спільно зподільником частоти . Час рахунку T_PAXвстановлюється зміною коефіцієнта розподілу nчастоти f₀ кварцовогогенератора. При T_PAX= 1 s число підрахованих в ЦЛП імпульсівбезпосередньо визначає частоту, що вимірюється. При іншому часі рахунку0,01; 0,1; 10 s автоматично переноситься децимальна точка на цифровомутабло.

Похибка вимірювання частоти визначається нестабільністю δ₀частоти кварцевого генератора (інструментальна похибка) і методичноюпохибкою квантування

 

δ= [(δ₀+1/ (f_X∙T_рах) ]∙100, %.

 

При малих частотах, навіть при максимально можливому для частотоміра Ч3-33 часу рахунку Т_рах=10 s, методична похибка може виявитися недопустимо великою. Наприклад, при f_X=10 Hz, δ_f≥ ±1 %.Тому на таких частотах доцільно вимірювати період T_X коливань, а нечастоту.

Вимірювання періоду T_X забезпечується структурною схемою приладу (рис. 5.2), що відповідає положенню перемикача “Родработы” в режимі “Т_Б” або “Т_Б∙10” на лицьовій панелі частотоміра Ч3-33.

У цьому випадку сигнал, що вимірюється, з входу "Б" приладу поступає на формувач-множник періоду ФМП. На вході блоку ФМП формується імпульс, тривалість якого визначає час відкритого стану ключа SW, тобто час рахунку Т_рах=T_{X ·} m(тут множник m=1 або 10 встановлюється експериментатором). На другий вхід ключа прицьому поступають короткі імпульси – “метки времени” з періодом Т_МІТ. Такі імпульси виробляються високостабільнимкварцевим генератором G спільно зі схемою подільника частоти.

Імпульси міток часу через селектор SW, відкритий на час Т_рах, поступають в цифровий відліковий пристрій і там підсумовуються. Результат рахунку імпульсів N_X відображається на цифровому табло ЦЛП.

Похибка вимірювання періоду δ_Т оцінюється формулою

 

δ_Т = ± [δ₀ + Т_міт/ (m∙T_X)] ∙100, %.

 

 

Рисунок 5.2 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні періоду

ОБЛАДНАННЯ СТЕНДУ

 

Лабораторний стенд укомплектований генератором сигналів спеціальної форми Г6-15, а також цифровим частотоміром Ч3-33.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

 

1. Вивчити теоретичний матеріал згідно з основними положеннями лабораторного

дослідження (див. розділ «ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ»)

2. Підготувати бланк звіту до лабораторної роботи.

3. Виконати домашні розрахунки:

для варіанту завдання, вказаного в табл. 5.1, визначити результат вимірювання.

Основні характеристики:частотоміра Ч3-33:

– час рахунку – 10; 1,0; 0,1; 0,01; 0,001 s;

– мітки часу – 100; 10; 1,0; 0,1 μs;

– множник періоду – 1;10;

- відліковий пристрій – восьмирозрядний;

– нестабільність δ₀=10^-6%.

Варіант завдання відповідає останній цифрі шифру кожного студента особисто..

Таблиця 5.1 - Початкові дані до домашнього завдання

Варіант		Параметри режиму роботи ЕЛЧ	Похибки
Частота, kHz	Період, Ms	Час відліку ТСЧ, s	Множник періоду, m	Мітка часу, μs	Показ на ЦЛП	±δ %	±Δ
	0.10	-		-	-	?	?	?
	-	-	?	-	-	000001.00 kHz	?	?
	-		-			?	?	?
	-	-	-		?	00050.000 ms	?	?
		-		-	-	?	?	?
	-		-			?	?	?
		-	?	-	-	?	?	0.01 Hz
	-		-		?	?	?	10 μs
	-	-	-		?	00400.000 ms	?	?
	1.0	-		-	-	?	?	?

 

Приклад. При вимірюванні частоти результат на ЦЛПотримано показ у вигляді 05000,000 kHz. Абсолютну похибку вимірюваннячастоти Δ можна оцінити по значенню одиниці молодшого розряду ЦЛП.

Δf_X=±0.001kHz=1Hz.

Тоді час рахунку складе

T_PAX=1/Δf=1s.

Похибка вимірювання частоти у відносній формі визначиться як

.

Результат вимірювання в стандартній формі запишеться як

 

f_X=(5000,0±1,0)Hz.

 

 

ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ

 

1. Ознайомитися з обладнанням лабораторного стенду. Підготувати до роботи і включити на прогрів електронний частотомір Ч3-33 і генератор Г6-15.

Скласти таблицю метрологічних характеристик приладів.

2. Визначити похибку градуювання шкали генератора напруги Г6-15. За дійсні значення частоти генератора прийняти результати прямих вимірювань частотоміром Ч3-33. При цьому параметри роботи частотоміра вибрати таким чином, щоб похибка частотоміра δ_f задовольняла умові повірки генератора

δ_f≤ 0,3 δ_Г,

де δ_Г - основна похибка генератора (для генератора типу Г6-29 δ_Г = ± 1,0 %).

Результати вимірювань представити в вигляді таблиці (див. табл..5.1) та графіка .

3. Експериментально перевірити результати попереднього розрахунку домашнього завдання.

5. Сформулюйте висновки за результатами лабораторного дослідження.

Таблиця 5.1- Результати повірки генератора Г6-15

№ пп	ЕЛЧ Ч3-33	Г6-29
Род роботи - „FA”	Род роботи - „ТБ”
fX	TPAX	δf	TX	TMIT	m	δT	fX	fГ	ΔГ	δГ
kHz	s	%	ms	μs		%	kHz	Hz	%
. .

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

 

1. Поясніть принцип дії електромеханічного частотоміра, побудованого на базі

електродинамічного логометра.

2. Чому середнє значення струму у вимірювальному механізмі електронного

конденсаторного частотоміра пропорційно частоті, що вимірюється?

3. Чому похибка вимірювання цифровим частотоміром частоти і періоду залежить від їх

значення?

4. Чому на високих частотах точність результату вище при вимірюванні частоти, а на низьких – при вимірюванні періоду?

5. Приведіть блок-схему та поясніть принцип дії цифрового частотоміра.

6. Приведіть блок-схему та поясніть принцип дії цифрового вимірювача періоду.

7. Назвіть переваги та недоліки цифрових вимірювачів частоти.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТЕЙ

В ТРИФАЗНИХ КОЛАХ

МЕТА РОБОТИ – виміряти активну та реактивну потужності в трифазних колах з

різним ступенем не симетрії навантаження.

В результаті виконання роботи студент повинен

– знати методи та засоби вимірювання потужностей в трифазних колах;

- вміти складати схеми підключення засобів вимірювання активної та реактивної

потужностей прямим та опосередкованим методами: креслити векторні

діаграми для симетричного та несиметричного навантаження трифазних кіл.

 

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

 

В трифазних колах вимірюють активну Р_Yта реактивну Q_Yпотужності за допомогою ватметрів або за допомогою вольтметрів, амперметрів та фазометрів (непрямим методом), користуючись рівняннями

Р_Y = U_AI_A·cosφ_A + U_BI_B·cosφ_B+ U_CI_C·cosφ_C

Q_Y = U_AI_A·sinφ_A + U_BI_B·sinφ_B+ U_CI_{C ·}sinφ_C,

де U_A, U_B, U_C – фазнінапруги;

I_A, I_B, I_C – струми фаз А, В, С;

φ_A, φ_B, φ_C – кути фазного зсуву між відповідними фазниминапругами та

струмами.

Схеми підключення ватметрів та необхідна для вимірювання кількість приладів залежать від величини що вимірюється (Р_Y чи Q_Y), симетрії навантаження фаз та кількості провідників, що з’єднують навантаження «Н» та джерело напруги - генератор «Г» (див. [1, с. 404…411]).

Показ P_Wватметра залежить від схеми підключення в коло його послідовної (струмової) та паралельної (напругової) обмоток та визначається рівнянням підключення:

P_W = U_WUI_WIcos(Ū_WU^Ī_WI),

де U_WU та I_WI – напруга та струм, які вимірюються паралельною та послідовною обмотками ватметра, відповідно;

Ū_WU^Ī_WI – кут фазного зсуву між векторами напруги Ū_WU та струму Ī_WI.

Наприклад, рівнянняпідключення ватметра (рис. 5.1, а) маєвигляд:

 

P_W = U_ВСI_Аcos(Ū_ВС^Ī_А),

 

а значеннякуту (Ū_ВС^Ī_А) можнавизначити, користуючись векторною діаграмою (рис. 6.1, б).

 

З правилами побудови векторних діаграм в трифазних колах необхідно ознайомитись в [6].

 

В трифазних колах потужність вимірюють за допомогою одного, двох або трьох ватметрів залежно від виду потужності (активна чи реактивна), наявності нульового проводу та ступеню несиметрії кола.

Аналіз схем вимірювання активної потужності [І, с. 404-407] дає можливість сформулювати правила підключення приладів при використанні методу двох приладів:

– струмові обмотки ватметрів можуть бути підключені у дві будь-які фази кола;

– генераторні затискачі обмоток напруги кожного ватметра, позначені /*/, з'єднуються з таким же /*/ затискачами струмової обмотки того ж ватметра;

– вільні затискачі обмоток напруги обох ватметрів підключаються до фази, в якій нема струмової обмотки.

 

 

Рисунок 6.1 - Схема включення ваттметра W а) та векторна діаграма трифазного кола б)

 

При вимірюванні реактивної потужності [1, с. 408-411] підключення обмоток кожного ватметра (одного, двох або трьох) виконується за правилами:

– струмову обмотку підключають в одну із фаз кола;

– генераторний /*/ затискач обмотки напруги цього ватметра підключають до наступної у порядку послідовності фази;

– другий затискач обмотки напруги підключають до третьої фази.

 

ОБЛАДНАННЯ СТЕНДУ

 

Принципова схема стенду приведена на рис. 6.2.

 

Вимірювальне обладнання стенду – три однофазні ватметри, три амперметри, вольтметр, вимірювач коефіцієнту потужності (фазометр) та двоелементний прилад для вимірювання активної або реактивної потужності.

Струмові обмотки ватметрів та амперметри включені в кожну фазу кола. Затискачі обмоток напруги ватметрів виведені на передню панель стенду.

Вимірювач коефіцієнту потужності (або фазометр) та вольтметр вимірюють відповідні фазні величини (cosφ_Ф та U_Ф) при встановленні перемикача S_U в положення або А, або В, або С.

Двоелементний прилад вимірює в трипровідному колі активну або реактивну потужність відповідно положенню Р або Q перемикача S_W.

Нульовий провід трифазного кола розмикається вимикачем S_N.

Навантаження кожної фази формується за допомогою автотрансформатора, резистора і конденсатора, причому останні підключаються паралельно або всій обмотці автотрансформатора, або її частині, яка може змінюватись завдяки переміщенню рухливого контакту автотрансформатора.

 

 

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

 

1. При підготовці до роботи треба вивчити теоретичний матеріал [1, с. 133-135, 400-411].

2. Підготувати бланк протоколу до лабораторної роботи, в якому привести схеми підключення ватметрів відповідно поз. 2, 3 лабораторного завдання.

3. Опрацювати методики проведення експерименту для вирішення лабораторних завдань за поз. 2;3.

 

 

 

Рисунок 6.2 - Принципова схема стенду

 

 

ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ

 

1. Скласти таблицю метрологічних характеристик приладів, які використовуються в роботі.

2. Виміряти активну та реактивну потужності в трипровідному колі з несиметричним навантаженням. Розрахувати потужності за показами амперметра, вольтметра і фазометра та оцінити похибки отриманих таким розрахунком результатів.

3. Виміряти активну та реактивну потужності в чотирипровідному колі з несиметричним навантаженням. Розрахувати потужності за показами амперметра, вольтметра і фазометра та оцінити похибки результатів, які отримані опосередкованими вимірюваннями.

Результати роботи представити в таблиці, зразок якої приведено нижче.

 

Таблиця 5.1 – Результати вимірювань потужностей

Результати експерименту

Результати вимірювань

IA

IB

IC

UA

UB

UC

CosφА

CosφB

CosφC

Ватметрами

За формулами опосередкованих вимірювань

За показами ватметрів

PW1

PW2

PW3

QW1

QW2

QW3

A

V

kW

kvar

 

У висновках оцінити похибки виконаних лабораторних завдань, вважаючи дійсними значення потужностей, отриманих опосередкованими вимірюваннями..

 

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

 

1. Які фактори необхідно враховувати при виборі кількості та схем підключення ватметрів для вимірювання активної або реактивної потужностей в трифазному колі?
2. Сформулюйте правила підключення ватметрів за методом двох приладів при вимірюванні активної потужності в трифазному колі.

3. Як побудувати схему підключення ватметра по наданому "рівнянню підключення"?

4. Сформулюйте правила підключення ватметра при вимірюванні реактивної потужності в

трифазному колі.

5. Поясніть, чому ватметри електродинамічної системи використовуються як засоби

вимірювання реактивної потужності.

6. Доведіть можливість вимірювання реактивної потужності в трифазному колі з

симетричним навантаженням одним ватметром.

7.Як виміряти реактивну потужність в трифазовому колі при а) три- чи б) чотири-

провідному з’єднанні?

8.Приведіть схему вимірювання а) активної чи б) реактивної потужностей за допомогою

одного ватметра, якщо симетричне навантаження з’єднано «трикутником».

9.В симетричній системі трифазних напруг фазовий кут φ = -30⁰. Приведіть векторну

діаграму струмів та напруг для схеми двох ватметрів, струмові обмотки яких включені в

фази А та В.

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7