POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH

Transkrypt

1 Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych Laboratorium Metrologii II POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH Grupa L.../Z kierownik Nr ćwicz Data Ocena I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zasad pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych (współczynnika zawartości harmonicznych THD, ang. Total Harmonic Distortion) oraz poznanie sposobu wyznaczania widma amplitudowego sygnału. II. Program ćwiczenia Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy włączyć generator funkcyjny, nanowoltomierz selektywny i oscyloskop cyfrowy w celu ustabilizowania się termicznych warunków pracy tych przyrządów. Zapoznać się z danymi technicznymi i zasadą działania powyżej wymienionych urządzeń. 1). WYZNACZANIE WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH SYGNAŁ WZORCOWEGO h w Połączyć układ według poniższego schematu. Rys. 1. Schemat blokowy układu do pomiaru współczynnika h w a). Oszacowanie h w za pomocą analizy widma FFT oscyloskopu cyfrowego stawić na generatorze przebieg sinusoidalny (wzorcowy) o częstotliwości wybranej z zakresu Hz. Oszacować za pomocą oscyloskopu wartość częstotliwości f w i amplitudy mw sygnału. Następnie, na oscyloskopie: - ustawić analizę widma FFT (MATH, Operate: FFT), - do pomiaru wartości widma FFT należy wykorzystać kursory (CRSOR, Mode: MANAL, Source: FFT). Po ustawieniu możliwości obsługi kursorów można korzystać z dwóch kursorów Cur A, Cur B. Wyboru tych kursorów dokonuje się poprzez wciśnięcie pokrętła. stawienia kursorów w dowolnym położeniu dokonuje się też za pomocą tego pokrętła. ćw. 5/str. 1

2 Zapisać wyniki pomiarów. Porównać wartość zmierzonego współczynnika zawartości harmonicznych h w z wartością określoną przez producenta w instrukcji obsługi generatora. Na podstawie pomiarów, narysować widmo amplitudowe przebiegu wzorcowego. Wykres narysować jako procentowy udział w sygnale kolejnych harmonicznych (w stosunku do wartości pierwszej harmonicznej) w funkcji rzędu harmonicznych i. b). Wyznaczanie h w za pomocą nanowoltomierza selektywnego przez pomiar wartości skutecznej harmonicznych badanego sygnału Zapoznać się z danymi technicznymi i obsługą nanowoltomierza selektywnego nv. stawić pokrętło zmiany czułości nanowoltomierza na najwyższy zakres pomiarowy (100mV, najmniejsza czułość). Przełącznikiem selektywności włączyć największą selektywność oktawowa 40dB. W celu zmniejszenia amplitudy sygnału na generatorze ustawić 20dB lub 40dB. Nie zmieniając na generatorze parametrów sygnału pomiarowego, zmierzyć wartości skuteczne napięcia kilku kolejnych harmonicznych 1,..., i, wartości częstotliwości kolejnych harmonicznych obliczyć jako krotność częstotliwości pierwszej harmonicznej. pomiar wykonać zgodnie z procedurą opisaną w instrukcji obsługi nanowoltomierza. Przed pomiarem składowej podstawowej ustawić największy zakres pomiarowy nanowoltomierza. Obliczoną częstotliwość f 1-obl ustawić na przełącznikach następnie skorygować nastawienia tych przełączników tak, aby uzyskać maksymalne wychylenie wskazówki. Wpisać do tabelki ustawioną częstotliwość na przyrządzie. Dla każdej obliczonej kolejnej i-tej harmonicznej ustawionej na woltomierzu zapisać wartość zmierzonego napięcia, która jest jednocześnie kolejnym współczynnikiem w równaniu Fouriera dla badanego sygnału. Obliczyć wartość skuteczną napięcia wyższych harmonicznych 2 i i całkowitą wartość skuteczną napięcia 1 i. Korzystając ze wzoru definicyjnego THD obliczyć wartość współczynnika zawartości harmonicznych h w. Na podstawie pomiarów, narysować widmo amplitudowe przebiegu wzorcowego. Wykres narysować jako procentowy udział w sygnale kolejnych harmonicznych (w stosunku do wartości pierwszej harmonicznej) w funkcji rzędu harmonicznych i. c). P orównanie w yni ków pomiarów w ykonanych za pomocą oscyl oskopu c yf r ow ego z w yni kami pomiarów w ykonanymi nanow ol tomierzem selektyw nym ćw. 5/str. 2

3 2) WYZNACZANIE WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH SYGNAŁ ODKSZTAŁCONEGO h x ZA POMOCĄ OSCYLOSKOP CYFROWEGO I NANOWOLTOMIERZA SELEKTYWNEGO Połączyć układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rys. 2. Obsługę oscyloskopu i nanowoltomierza, pomiary i analizę należy wykonać, jak w pkt. 1a i 1b. Rys. 2. Schemat blokowy układu do pomiaru współczynnika h x III. Przebieg ćwiczenia Spis przyrządów: Nanowoltomierz selektywny (producent:..., model:...) Zakres częstotliwości, f Zakresy pomiarowe napięcia, Selektywność: Oscyloskop (producent:..., model:...) Liczba kanałów Czułość, C y Podstawa czasu, C t Generator funkcyjny (producent:..., model:...) Zakres napięcia, w Zakres częstotliwości, f w Zawartość harmonicznych we wzorcowym sygnale sinusoidalnym, h w 1) WYZNACZANIE WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH SYGNAŁ WZORCOWEGO h w Amplituda i częstotliwość sygnału wzorcowego (pomiar oscyloskopem): 1 mw ly C y 2 fw 1 lt Ct ćw. 5/str. 3

4 a). Oszacowanie h w za pomocą analizy widma FFT oscyloskopu cyfrowego f i i [Hz] [mv] Wartość skuteczna wyższych harmonicznych sygnału wzorcowego: 2i i Całkowita wartość skuteczna sygnału wzorcowego: 1i i THD sygnału wzorcowego: 2 i h w 100% 1i Analiza harmoniczna przebiegu wzorcowego z [%] 100 z i 100% 1 Widmo amplitudowe napięcia wzorcowego: ćw. 5/str. 4

5 b). Wyznaczanie h w za pomocą nanowoltomierza selektywnego przez pomiar wartości skutecznej harmonicznych badanego sygnału f i i [Hz] [mv] Wartość skuteczna wyższych harmonicznych sygnału wzorcowego: 2i i Całkowita wartość skuteczna sygnału wzorcowego: 1i i THD sygnału wzorcowego: 2 i h w 100% 1i Analiza harmoniczna przebiegu wzorcowego z [%] 100 z i 100% 1 Widmo amplitudowe napięcia wzorcowego: ćw. 5/str. 5

6 c). P orównanie w yni ków pomiarów w ykonanych za pomocą oscyl oskopu c yf r ow ego z w yni kami pomiarów w ykonanymi nanow ol tomierzem selektyw nym 2) WYZNACZANIE WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH SYGNAŁ ODKSZTAŁCONEGO h x Amplituda i częstotliwość sygnału odkształconego (pomiar oscyloskopem): 1 mx ly Cy 2 f x l t 1 C t a). Oszacowanie h x za pomocą analizy widma FFT oscyloskopu cyfrowego f i i [Hz] [mv] Wartość skuteczna wyższych harmonicznych sygnału odkształconego: 2i i Całkowita wartość skuteczna sygnału odkształconego: 1i i THD sygnału odkształconego: h 2 i x 100% 1i Analiza harmoniczna przebiegu odkształconego z [%] 100 ćw. 5/str. 6

7 z i 100% 1 Widmo amplitudowe napięcia odkształconego: b). Wyznaczanie h x za pomocą nanowoltomierza selektywnego przez pomiar wartości skutecznej harmonicznych badanego sygnału f i i [Hz] [mv] Wartość skuteczna wyższych harmonicznych sygnału odkształconego: 2i i Całkowita wartość skuteczna sygnału odkształconego: 1i i THD sygnału odkształconego: h 2 i x 100% 1i Analiza harmoniczna przebiegu odkształconego z [%] 100 z i 100% 1 ćw. 5/str. 7

8 Widmo amplitudowe napięcia odkształconego: c). P orównanie w yni ków pomiarów w ykonanych za pomocą oscyl oskopu c yf r ow ego z w ynikami pomiarów w ykonanymi nanow oltomierze m selektyw nym IV. Wnioski końcowe ćw. 5/str. 8

9 V. Pytania kontrolne 1. Jaki efekt w dziedzinie czasu powoduje wprowadzanie przez układ zniekształceń nieliniowych sygnału? 2. Jaki efekt w dziedzinie częstotliwości powoduje wprowadzanie przez układ zniekształceń nieliniowych sygnału? 3. Na czym polega pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych metodą wytłumienia pierwszej (podstawowej) harmonicznej? 4. Jak na drodze pomiarowej można wyznaczyć współczynniki szeregu Fouriera? VI. Literatura 1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, Warszawa: WNT, Parchański J.: Miernictwo elektryczne i elektroniczne, Warszawa: WSiP, 1997r. 3. Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej, Warszawa: WNT, Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, Warszawa: WNT, 1984r. 5. Szadkowski B.: Laboratorium metrologii elektrycznej i elektronicznej, Gliwice: Wyd. P. Śl., Rylski A., Wojturski J.: Metrologia elektryczna, Rzeszów: OWPRz, 2013r. ćw. 5/str. 9