Ćwiczenie 5. Pomiary parametrów sygnałów napięciowych. Program ćwiczenia:

Transkrypt

1 Ćwiczenie 5 Pomiary parametrów sygnałów napięciowych Program ćwiczenia: 1. Pomiar parametrów sygnałów napięciowych o ształcie sinusoidalnym, prostoątnym i trójątnym: a) Pomiar wartości sutecznej, średniej wyprostowanej i masymalnej, b) Badanie wpływu obecności sładowej stałej na wsazania woltomierzy wartości sutecznej, c) Pomiar współczynnia zawartości harmonicznych h.. Pomiar i porównanie charaterysty częstotliwościowych woltomierzy mierzących wartość suteczną napięcia. Wyaz przyrządów: multimetr Rigol DM3051 generator Rigol DG10 oscylosop Rigol DS105E multimetr cyfrowy V560 multimetr analogowy M 4B woltomierz eletromagnetyczny typu PE (lasa 0,) prostowni szczytowy z zestawem zacisów; Literatura: [1] Marcyniu A., Paseci E., Plucińsi M., Szadowsi B.: Podstawy metrologii eletrycznej. Warszawa, WNT 1984 [] Chwaleba A., Ponińsi M., Siedleci A.: Metrologia eletryczna. Warszawa, WNT 1994 [3] Zatorsi A., Rozrut A.: Miernictwo eletryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Srypt AGH nr nr 1190/1990, 1334/199, 1403/1994, 1585/1999 [4] Jellone A., Gąszcza J., Orzeszowsi Z., Rymaszewsi R.: Podstawy metrologii eletrycznej i eletronicznej. Warszawa, PWN 1980 [5] Kwiatowsi W.S.: Miernictwo eletryczne. Analogowa technia pomiarowa. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechnii Warszawsiej 1994 [6] Zatorsi A.: Merologia eletryczna. Ćwiczenia laboratoryjne. Kraów, Wydz. EAIiE AGH 00. Srypt nr 13 Doumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [7] Instrucja obsługi: RIGOL, Multimetry cyfrowe serii DM > dydatya > Materiały dla studentów Strony www: > Technical Support

2 Zares wymaganych wiadomości do olowium wstępnego: definicje parametrów przebiegów oresowych (wartość średnia, średnia wyprostowana, suteczna, masymalna, współczynnii: ształtu, szczytu, wypełnienia, zawartości harmonicznych). budowa i zasada działania przyrządów analogowych magnetoeletrycznych i eletromagnetycznych, pomiar przyrządem analogowym; pojęcia: sali, podziałi, działi elementarnej, stałej zaresowej, symbole stosowane do opisu przyrządów analogowych, budowa i zasada działania przyrządów cyfrowych, strutura multimetru cyfrowego, przetworni A/C z podwójnym całowaniem, przetworni AC/DC pomiar napięcia zmiennego, w tym pojecie True RMS, ułady realizujące przetwarzanie sygnałów: prostowni liniowy, prostowni szczytowy.

3 1) Pomiar parametrów sygnałów napięciowych o ształcie sinusoidalnym, prostoątnym i trójątnym a) pomiar wartości sutecznej, średniej wyprostowanej i masymalnej Rysune 1. Schemat uładu do pomiaru parametrów oresowego sygnału napięciowego: G generator Rigol, W wzmacniacz/zasilacz uniwersalny, V 1 multimetr Rigol w trybie pomiaru wartości sutecznej, V multimetr V560 w trybie pomiaru wartości sutecznej, V 3 multimetr M 4B na zaresie pomiaru napięcia stałego, OSC oscylosop Rigol. Wyonanie pomiaru 1) Połączyć uład według schematu z rysunu 1 (użyć płyti z prostowniiem szczytowym). ) Multimetr Rigol ustawić w tryb pomiaru napięcia zmiennego z automatycznym doborem zaresu, 3) Multimetr V560 ustawić w tryb pomiaru napięcia zmiennego na zaresie 10V. 4) Multimetr analogowy M 4B ustawić w tryb pomiaru napięcia stałego na zaresie 6V. 5) Na generatorze Rigol ustawić następujące parametry sygnału: ształt sinusoida, częstotliwość f=50hz, amplituda 1 V (czyli Vp p), sładowa stała o =0. 6) W uniwersalnym module zasilacz/generator wartość napięcia stałego ustawić na 15 V. We wzmacniaczu uniwersalnym porętło wyboru ształtu sygnału ustawić w srajnym prawym położeniu (sygnał zewnętrzny) oraz wyłączyć sładową stałą. Obserwując napięcie na oscylosopie dobrać wzmocnienie w tai sposób, aby amplituda mierzonego napięcia wyniosła ooło m = 6V. 7) Włączyć obydwa anały oscylosopu i dobrać jednaowe wzmocnienia w anałach. Poziomy odniesienia sygnałów (masa) ustawić w tym samym puncie na osi pionowej. Ocenić jaość pomiaru wartości masymalnej napięcia. 8) Wynii pomiarów zanotować w tabeli 1. 9) Pomiary powtórzyć dla sygnału prostoątnego i trójątnego. 10) Powtórzyć pomiary dla częstotliwości f= 500 Hz. Multimetr V560 mierzy wartość średnią sygnału ale wysalowany jest w wartościach sutecznych dla sygnału sinusoidalnego. Aby otrzymać wartość średnią jego wsazanie należy podzielić przez współczynni ształtu dla sygnału sinusoidalnego tj Przy pomiarach sygnałów o ształtach różnych od sinusoidy metoda ta wprowadza błąd, tóry jest proporcjonalny do różnicy między współczynniiem ształtu danego sygnału, a sygnału sinusoidalnego. śrp = 1.11 [V]

4 Na podstawie zmierzonych wartości: sutecznej, średniej wyprostowanej i masymalnej wyznaczyć współczynnii: ształtu, szczytu i wypełnienia dla mierzonych przebiegów, a następnie porównać je z wartościami teoretycznymi. Somentować przyczyny błędów. współczynni ształtu: = 1 śrp współczynni szczytu: s = 3 1 współczynni wypełnienia: w = śrp 3 Wyznaczyć wartość błędu względnego dla wyliczonych współczynniów: δ = m t t 100 [%] gdzie: m obliczona wartość współczynnia t wartość teoretyczna danego współczynnia (tabela ) Tabela wartości teoretyczne współczynniów s w sinus prostoąt trójąt π

5 b) badanie wpływu obecności sładowej stałej na wsazania woltomierzy wartości sutecznej Rysune. Schemat uładu do badania wpływu sładowej stałej sygnału na poprawność wsazań woltomierzy wartości sutecznej. G generator Rigol, W wzmacniacz/zasilacz uniwersalny, V 1 multimetr Rigol w trybie pomiaru wartości sutecznej, V multimetr V560 w trybie pomiaru wartości sutecznej, V 3 woltomierz eletromagnetyczny, V 4 multimetr analogowy M 4B, O oscylosop Wyonanie pomiaru 1) Połączyć uład według schematu z rysunu. ) Na generatorze RIGOL ustawić następujące parametry sygnału: ształt sinusoida, częstotliwość f=100 Hz, amplituda 1 V (czyli Vp p), sładowa stała 0 =0. 3) W uniwersalnym module zasilacz/generator wartość napięcia stałego ustawić na 15 V. We wzmacniaczu uniwersalnym wyłączyć sładową stałą oraz obserwując napięcie na oscylosopie dobrać wzmocnienie w tai sposób, aby amplituda sygnału wyniosła ooło m =4 V. Odczytać doładną wartość m z oscylosopu i zanotować. 4) Zanotować wynii pomiarów w tabeli 3 dla olejnych ształtów sygnału: sinus, prostoąt, trójąt. 5) Nie zmieniając amplitudy m sygnału pomiary powtórzyć dla innej wartości sładowej stałej, tórej wartość można ontrolować poprzez pomiary automatyczne na oscylosopie. Aby zmienić wartość sładowej stałej włączyć jej regulację we wzmacniaczu i zmieniać w tai sposób aby uzysać wartość 4,0V. Znając wartości m wyliczyć teoretyczną wartością suteczną sładowej zmiennej sygnału ~ = ~ gdzie: m wartość masymalna (szczytowa) przebiegu odczytana z oscylosopu, s wartość teoretyczna (tabela ) współczynnia szczytu dla danego ształtu sygnału, ~ teoretyczna wartość suteczna sładowej zmiennej sygnału. m s Znając wartość sładowej stałej 0 sygnału, obliczyć teoretyczną wartość suteczną t sygnału dla ażdego przypadu wg zależności: t = 0 + Wyliczone teoretycznie wartości suteczne sygnałów porównać z wartościami wsazanymi przez woltomierze 1, i 3. ~

6 c) Pomiar współczynnia zawartości harmonicznych h. Połączyć uład pomiarowy według poniższego rysunu Rysune 4. Schemat uładu do pomiaru współczynnia zawartości harmonicznych: G generator Rigol, O oscylosop Rigol, PMZ 8 mierni znieształceń nieliniowych Pomiar współczynnia zawartości harmonicznych (współczynnia znieształceń nieliniowych) odbywa się na podstawie wzoru definicyjnego: h = n= n= 1 A A n n gdzie A n jest amplitudą lub wartością suteczną n tej harmonicznej sygnału. Stosowane są dwie grupy metod, z tórych pierwsze polegają na ompensacji podstawowej harmonicznej w badanym sygnale, a drugie na jej wytłumieniu za pomocą filtru seletywnego lub górnoprzepustowego. Mierząc wartość suteczną sygnału (bez sładowej stałej) oraz wartość suteczną sygnału, z tórego wyeliminowano pierwszą harmoniczną, można zgodnie ze wzorem definicyjnym wyznaczyć wartość współczynnia zawartości harmonicznych. Schemat bloowy miernia znieształceń nieliniowych ZOPAN, typ PMZ 8A Oznaczenia: T tłumi, W wzmacniacz, FSZ filtr środowo zaporowy. Powyższy uład miernia znieształceń nieliniowych oprócz filtru zawiera dwa szeroopasmowe woltomierze wartości sutecznej, tórych wsazania umożliwiają wyznaczenie współczynnia zawartości harmonicznych h. W celu wytłumienia pierwszej harmonicznej badanego sygnału należy ta ustawić filtr środowo zaporowy aby uzysać minimum wsazań woltomierza V.

7 Wyonanie pomiarów: 1) Obserwując przebieg sygnału na eranie oscylosopu ustawić na generatorze następujące parametry generowanego sygnału: ształt sinusoida, częstotliwość f=500 Hz, amplituda m =7 V, sładowa stała 0 =0 ) Doonać alibracji miernia PMZ 8 ustawić przełączni 10 w mierniu PMZ 8 w położeniu "sieć" ustawić przełączni 3 "zares napięcia " na wartość masymalną (prawe srajne położenie) ustawić przełączni 5 "znieształcenia" w położenie "alibracja" sręcić porętło 4 "alibracja" w lewe srajne położenie porętłem 8 dobrać odpowiedni mnożni częstotliwości ta by częstotliwość mierzonego sygnału znalazła się z zaresie częstotliwości ujętych na wsaźniu 7 porętłem 9 ustawić zgrubnie częstotliwość mierzonego sygnału 3) Doonać pomiaru współczynnia zawartości harmonicznych "h" ustawić porętło 10 w pozycji "pomiar" porętłem 3 "zares napięcia" ustawić w pozycji w tórej wsazówa na wsaźniu 1 wychyli się powyżej wartości 3 porętłem 4 "alibracja" spowodować wychylenie wsazówi do ońca podziałi przestawić porętło 5 "znieształcenia" na zares 100 % regulując porętłem 9 obserwować wychylenie wsazówi na wsaźniu porętłem 9 (zgrubnie i precyzyjnie) a następnie porętłem 6 "ompensacja", doprowadzić wychylenie wsazówi do minimalnego wychylenia (najmniejszy poziom sygnału w razie potrzeby porętłem 5 zmienić zares mierzonych znieształceń 4) W celu przeprowadzenia olejnego pomiaru procedurę rozpocząć od puntu ) 5) Pomiar powtórzyć dla sygnału prostoątnego i trójątnego 6) Doonać pomiarów dla częstotliwości f=500 Hz a następnie f= 1000 Hz 7) Wynii pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 4. Rys. 5. Płyta czołowa miernia znieształceń nieliniowych PMZ 8. 1 wsaźni, gniazdo wejściowe sygnału, 3 porętło "zaresu napięcia" sygnału wejściowego, 4 porętło "alibracja", 5 porętło "znieształcenia" wyboru zaresu mierzonego współczynnia zawartości harmonicznych, 6 porętło "ompensacja", 7 wsaźni częstotliwości środowej filtra seletywnego, 8 porętło do ustawiania mnożnia częstotliwości filtra seletywnego, 9 porętło do zmiany częstotliwości filtra seletywnego, 10 porętło załączające mierni

8 ) Pomiar i porównanie charaterysty częstotliwościowych woltomierzy mierzących wartość suteczną napięcia. Połączyć uład pomiarowy według poniższego rysunu Rysune 6. Schemat uładu do wyznaczania charaterysty częstotliwościowych woltomierzy wartości sutecznej: G Generator Rigol, W wzmacniacz/zasilacz uniwersalny, V 1 multimetr Rigol w trybie pomiaru wartości sutecznej, V multimetr V560 w trybie pomiaru wartości sutecznej, V 3 woltomierz eletromagnetyczny, Wyonanie pomiaru 1) Na generatorze ustawić następujące parametry sygnału: ształt sinusoida, częstotliwość f=50hz, amplituda 1 V (czyli Vp p), sładowa stała 0 =0. ) W uniwersalnym module zasilacz/generator wartość napięcia stałego ustawić na 15 V. We wzmacniaczu uniwersalnym wyłączyć sładową stałą oraz dobrać wzmocnienie w tai sposób, aby amplituda sygnału wyniosła ooło m =10 V. 3) Amplituda napięcia z generatora, obserwowana za pomocą oscylosopu, musi pozostawać stała podczas dalszych pomiarów 4) Zmierzyć charaterystyi =f(f) dla woltomierzy V 1, V, V 3, w zaresie od 50 Hz do o 15 Hz, a wynii zapisać w tabeli 5. 5) Zmierzone punty charaterystyi poszczególnych woltomierzy narysować na jednym wyresie, punty aprosymować linią rzywą. 6) Na podstawie narysowanych charaterysty wyznaczyć częstotliwość graniczną poszczególnych woltomierzy rozumianą jao częstotliwość przy tórej wartość napięcia poazywanego przez woltomierz wynosi g = 0,707 f = 50Hz