Лабораторная работа. Лабораторная работа Информационно измерительные технологии
 Скачать 81.98 Kb.
|
|
Филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет) в г. Озерске Факультет «Электроэнергетика и электротехника» Кафедра «Информатика и вычислительная техника» Лабораторная работа «Информационно измерительные технологии » Выполнил: студент гр.326 ОзЗ Князев В.М . Проверил: А. И. Кольченко Озерск 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Лабораторная работа № 1.……………………….….…3 Лабораторная работа № 2.……………………….…….7 Лабораторная работа № 3.…………….………………10 Лабораторная работа № 4…………….……………….13 Список использованной литературы…………...…….15 Лабораторная работа № 1. Измерение переменного электрического напряжения КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какими параметрами, подлежащими измерению, характеризуется переменное напряжение? - периодом, частотой, амплитудой и действующим значением 2. Что такое среднеквадратическое, среднее и средневыпрямленное значения переменного напряжения? - среднеквадратическое значение :  квадрат среднеквадратического значения численно равен мощности, рассеиваемой на активной нагрузке 1 Ом. - среднее значение:  время T выбирают кратному целому числу периодов исследуемого напряжения. - средневыпрямленное значение:  определяют как среднее значение модуля напряжения. 3. Опишите принцип работы и устройство электромеханических вольтметров переменного тока? Чем определяется погрешность этих приборов? -электромеханические вольтметры относятся к приборам прямого преобразования, в которых напряжение непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства и состоят из следующих главных частей: неподвижной, соединенной с корпусом прибора и подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством. Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления. Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным. Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники. Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах. Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы: - узел, создающий вращающий момент; - узел, создающий противодействующий момент; -успокоитель Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент Мп , направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота. Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины. Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Наиболее распространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители , с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая. Показание любого измерительного прибора в силу ряда причин всегда несколько отличается от истинного значения измеряемой величины, т. е. прибор обладает некоторой погрешностью. Погрешность показаний прибора является его основной характеристикой и определяет степень приближения его показаний к истинному значению измеряемой величины. Погрешности измерений в зависимости от причин из возникновения классифицируются так: Погрешности метода измерения - это погрешности, возникающие вследствие несовершенства применяемого метода измерения или из-за влияния допущений и упрощений в применении эмпирических формул. Погрешности, возникающие в результате неправильной установки прибора. Измерительные приборы требуют предварительной проверки и определенной установки. Необходимо строгое соблюдение правил пользования измерительным прибором. Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний на средства измерения. Влияния температуры. При отклонении от этой температуры результаты измерений искажаются. Влияния магнитных полей (магнитного поля Земли и магнитных полей токов) устраняют экранированием. В измерительных приборах экранирование предусмотрено их конструкцией, но он не является полным. Влияние вредных вибраций и сотрясений устраняют путем применения различных пружин, резиновых прокладок. 4. Опишите принцип работы и устройство электронных вольтметров переменного тока? Чем определяется погрешность этих приборов? -электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает больших значений и они допускают значительные перегрузки. Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно. Их основными особенностями являются: высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная ёмкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки. К недостаткам электронных вольтметров относятся: необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешность измерений (до 3-5%). По принципу действия электронные вольтметры разделяются на две основные группы: вольтметры типа «усилитель - детектор», в которых измеряемое напряжение вначале усиливается, а затем выпрямляется для целей индикации измерителем постоянного тока, и вольтметры типа «детектор - усилитель», в которых измеряемое напряжение выпрямляется, а затем усиливается на постоянном токе. В зависимости от используемого вида активных элементов различают вольтметры транзисторные и ламповые. -погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. 5. Опишите принцип работы и устройство электродинамических вольтметров переменного тока? Чем определяется погрешность этих приборов? -узел для создания вращающего момента состоит из неподвижной катушки, внутри которой помещена подвижная. Принцип действия заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи Неподвижная катушка разделена на две половины, по которым протекает ток I1. Для измерения обе катушки соединяют последовательно. Подвижная катушка расположена внутри неподвижной, и по ней протекает ток I2, который подводится через спиральные противодействующие пружины или растяжки. Успокоение обычно воздушное. Показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам. К достоинствам этих приборов относятся: возможность перемножать измеряемые величины, т.е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля. Выпускаются вольтметры электродинамической системы для применения в цепях переменного тока с частотой 50,400,1000,2000, 3000 Гц. Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные – от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторов напряжения. Лабораторная работа № 2. Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие параметры полностью характеризуют гармоническое напряжение? Поясните на графике. -гармоническое напряжение характеризуется тем, что его текущее значение U(t) изменяется с течением времени по синусоидальному закону:  где U0 – амплитуда гармонического напряжения, t – время, ω – угловая частота гармонического напряжения, (ωt + φ) – фаза, а φ – начальная фаза гармонического напряжения.  2. Почему при наблюдении гармонических сигналов и измерении их параметров удобно использовать осциллограф? - существует множество измерительных приборов, позволяющих измерять отдельные параметры гармонического напряжения. Это аналоговые и цифровые вольтметры переменного тока, частотомеры и фазометры различных видов и систем. С помощью этих приборов можно добиться высоких показателей точности измерений, обеспечить выполнение измерений в широком диапазоне амплитуд и частот, провести измерения, как в лабораторных, так и в цеховых условиях. Однако ни одно из перечисленных средств измерений не позволяет измерить одновременно все параметры гармонического напряжения, и не обладает таким дружественным пользовательским интерфейсом. Осциллографы обеспечивают возможность наблюдения функциональной связи между переменными величинами, одной из которых, как правило, является время. При измерении гармонического напряжения изображение, наблюдаемое на экране осциллографа (осциллограмма), несет информацию о значениях амплитуды и частоты (периода) напряжения, и, если осциллограф двулучевой, о разности фаз между двумя гармоническими напряжениями. Осциллографические измерения можно выполнять в широком диапазоне частот, в электрических цепях различного назначения. 3. Отчего зависит погрешность измерения амплитуды при помощи осциллографа? -в любом осциллографе погрешности измерений складываются из нескольких источников: погрешности калибровки, нелинейной зависимости отклонения луча по вертикали от входного напряжения, зависимости коэффициента усиления от частоты, погрешности входного усилителя, нелинейности развертки во времени, шумов, конечной толщины луча и т.д. Погрешность измерения амплитуды импульсов длительностью не менее времени установления переходной характеристики осциллографа определяют по составляющим: погрешности номинального коэффициента отклонения по вертикали; погрешность преобразования, вызванной неравномерностью переходной характеристики; визуальной погрешности отсчета геометрических размеров отдельных участков осциллограммы и совмещения линии электронного луча с рисками измерительной шкалы. Визуальная погрешность состоит из погрешности при совмещении линии электронного луча с рисками измерительной шкалы, равной 1/5 ширины линии луча, и погрешности отсчета положения линии луча относительно делений шкалы, равной 1/3 ширины линии. Так как все составляющие погрешности независимы, то суммарная погрешность это сумма всех погрешностей. 4. Отчего зависит погрешность измерения частоты при помощи осциллографа? - погрешность измерения частоты заключается в неточности определения отрезков, неточном совмещении горизонталей, и толщине светового луча на экране. 5. Как определить разность фаз между двумя гармоническими сигналами по форме и ориентации наблюдаемого на экране эллипса? -способ эллипса или фигура Лиссажу. При выполнении измерений этим способом одно из напряжений подается на вход канала вертикального, а другое – горизонтального отклонения осциллографа. Генератор линейной развертки при этом выключен.  При использовании способа эллипса угол сдвига фаз можно определить по формуле:  , где h и H длина отрезков на осциллограммеПеред измерением h и H необходимо совместить центр эллипса с началом координат шкалы. При использовании метода результаты измерения однозначно интерпретируются только в диапазоне от 0 до 180 градусов. 6.Почему при осциллографических измерениях размер изображения на экране стремятся по возможности увеличить? - для достижения минимальных погрешностей нужно стремиться к тому, что бы изображение исследуемого сигнала занимало 80-90% рабочей площади экрана. В этом случае можно уменьшить погрешность измерений в 1,5 -2 раза по сравнению с паспортной погрешностью используемого, осциллографа. Лабораторная работа №3. Измерение частоты и периода электрических сигналов КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.В каком диапазоне частот выполняются измерения частоты периодических электрических сигналов? -измерение частоты электрических сигналов производится в диапазоне от 0 Гц до 1011 Гц. 2.Каковы достоинства резонансного метода измерения частоты? -при измерениях резонансным методом применяются резонансные частотомеры (волномеры) имеющие простое устройство и достаточно удобные в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 ...10-4 3.Какие частотомеры обладают наибольшей точностью? - цифровые частотомеры высокой точности с погрешностью менее 0,01% 4.Какова основная причина возникновения погрешностей при измерении частоты с помощью осциллографа? - При определении частоты по калибрационной сетке на экране осциллографа важное значение имеют погрешности калибровки амплитудной и временной шкал (погрешности коэффициентов отклонения и развертки). Наиболее точные измерения получаются, если максимально растянуть изображение по горизонтали. 5.В каком диапазоне значений частот удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность измерений зависит от значения измеряемой частоты? - цифровые частотомеры предназначаются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в диапазоне 10 Гц – 50 ГГц. Относительная погрешность измерения частоты ничтожна при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот. 6.В каком диапазоне значений длительности периодов удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность измерений зависит от длительности измеряемого периода? - более точное измерение периода производится с использованием декадных делителей частоты. В этом случае входной сигнал после формирования поступает на декадные делители, где его период умножается в 10, 102, 103 или 104 раз. Погрешность измерения периода резко увеличивается при его уменьшении. 7.Как нормируется класс точности цифровых частотомеров? - классы точности частотомеров задаются предельным значением основной абсолютной погрешности Δп. Частотомеры бывают следующих классов точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5. 8.Какой частотомер дает возможность производить измерения в гигагерцовом диапазоне частот? - современные цифровые частотомеры являются автоматическими приборами, отличающимися высокой точностью измерений, быстродействием, удобством отсчета и простотой работы с ними. Замена резонансных и гетеродинных частотомеров убыстряет измерение в 30 – 50 раз и снижает погрешность на 4-5 порядков. Наличие на выходе результата измерения в виде электрического кода позволяет использовать их в измерительно-информационных системах и автоматических системах управления. Максимальное значение измеряемой частоты определяется в основном быстродействием электронного счетчика, то есть образующих его декадных делителей. Для расширения частотного диапазона во входном тракте применяют двоичные делители, быстродействие которых выше, чем декадных. Верхний предел измеряемых частот равен 400 МГц, а с преобразованием (переносом) частоты достигает сотен ГГц. Погрешность измерения частоты 5 · 10-9. Диапазон измеряемых интервалов времени и периодов 1 мкс – 104с. Погрешность измерения 0,05 мкс. Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика. Дальнейшее продвижение верхнего предела в область сверхвысоких частот достигается путем преобразования частоты с помощью приставок, получивших название гетеродинов-переносчиков. 9.Какова инструментальная погрешность конденсаторных частотомеров? Чем она определяется? -инструментальная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3% и возникает за счет остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора. Недостатком таких частотомеров является наличие погрешностей при измерении и отклонении от линейности, что связано с влиянием обратного коллекторного тока и значительным падением напряжения между эмиттером и коллектором транзисторов переключателя в открытом состоянии. 10.Каким образом при использовании цифровых частотомеров удается достичь высокой точности измерений как в области высоких, так и в области низких частот? В каком диапазоне частот погрешность таких измерений максимальна (минимальна)? - относительная погрешность измерения частотомера при прочих равных условиях зависит от частоты исследуемого сигнала. Относительная погрешность измерения частоты мала при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот. При измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот – погрешностью дискретности. Для уменьшения погрешности измерения низких частот необходимо увеличить время измерения, но это не всегда возможно. Поэтому в цифровых частотомерах либо применяют умножители, позволяющие повышать измеряемые частоты в 10 раз, либо переходят от измерения частоты исследуемого сигнала к измерению его периода Тх с последующим вычислением значения измеряемой частоты по формуле fx = 1/Tx. Лабораторная работа №4. Измерение угла фазового сдвига КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В каком случае гармонические напряжения называют противофазными? - понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u1(t)=Um1Sin(ωt+φ1) c амплитудой Um1 и круговой частотой ω текущая (мгновенная) фаза в момент времени t равна φ = ωt + φ1, где φ1 – начальная фаза. Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты u1(t)=Um1Sin (ωt + φ1) и u2(t) = Um2Sin (ωt + φ2) называется модуль разности их фаз: Δφ = φ1 – φ2. Если φ1 и φ2 постоянны во времени, то Δφ от времени не зависит. При Δφ = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при Δφ= противофазными. 2. Какой метод реализуется при измерении сдвига фаз электродинамическим или ферродинамическим логометром? -принцип преобразования измеряемого угла сдвига фаз во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению измеряемой величины. 3. Какие преобразования претерпевает измеряемая величина в аналоговых электронных фазометрах? - в электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Интервалы времени ∆Т между ближайшими импульсами пропорциональны измеряемой разности фаз. Фазометр содержит входные цепи и формирующие устройства. Исследуемые напряжения преобразуются в серию коротких импульсов с крутыми фронтами. Из соседних пар импульсов с помощью триггера формируются прямоугольные импульсы, длительность которых равна интервалу времени ∆Т. Период повторения этих импульсов равен периоду исследуемых напряжений. Магнитоэлектрический измерительный прибор, включенный на выходе триггера, показывает среднее за период значение напряжения: Uср= Um∆Т / Т, =360 Uср /Um. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала. 4. В каком диапазоне частот работают аналоговые электронные фазометры? - от 1 до 1000 МГц 5. Какие фазометры обеспечивают наивысшую точность в диапазоне частот от нескольких герц до десятков мегагерц? - фазометры с электродинамическим механизмом обеспечивают наиболее высокую точность при измерениях в цепях переменного тока частотой до 20 кГц. В диапазоне частот от долей герца до десятков мегагерц наилучшие результаты по точности дает цифровой фазометр. Такие фазометры рекомендуется применять в маломощных цепях, а также при искаженной форме напряжения. 6. За счет чего при использовании цифровых фазометров удается обеспечить высокую точность измерений как в области высоких, так и в области низких частот? - при измерении фазовых сдвигов в области низких частот применяют умножение частоты. Понижение частоты путем гетеродинного преобразования используют при измерении на высоких и сверхвысоких частотах. 7. Чем отличаются друг от друга цифровой фазометр с усреднением и без усреднения? Когда они используются? - особенность цифрового фазометра с усреднением состоит в том, что его погрешность дискретности имеет две составляющие: одна связана с ограниченным числом импульсов в каждой пачке, а другая – с ограниченным числом пачек, попадающих в интервал. Цифровой фазометр с усреднением применяют для уменьшения влияния помех на результат измерения. Цифровой фазометр без усреднения используется для измерения мгновенных значений сдвига фаз. Основным недостатком таких устройств является подверженность влиянию помех, в результате чего фазовые сдвиги изменяются случайным образом. 8. В каком случае для измерения угла фазового сдвига следует выбрать электронный осциллограф? - выбор метода измерения угла сдвига фаз зависит от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности измерений. В лабораторных условиях в маломощных цепях для измерения угла сдвига фаз методом непосредственной оценки удобно использовать осциллограф. Список использованной литературы 1.Калашников В.И. Информационно-измерительная техника и технологии: Учебник для вузов \ В.И.Калашников, С.В.Нефедов, А.Б.Путилин и др.; Под редакцией Г.Г.Раннева, - М.: Высшая школа, 2001. 2. Капиев Р.Э. Измерительно-вычислительные комплексы. Р.Э. Капиев Л., Энергоатомиздат, 1988 г. 3. Ломоносов В. Ю. Электротехника \ В. Ю. Ломоносов, К. М. Поливанов, О. П. Михайлов. — М.: Энергоатомиздат, 2011. 4. Манаев К.М. Приборы и методы электрических измерений.: Учеб. пособие для вузов в 2 т. \ К.М. Манаев – Махачкала.: Изд.: “Юпитер”, 1998. 5. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: М.П. Цапенко – М.: Энергоатомиздат, 1985. 6 Борисов Ю.М. Электротехника: Учебник для вузов. – 2-е изд., пере-раб.– М: Энергоатомиздат, 1985. – 335 с. 7 Блажкин А.Т. Общая электротехника: Учебн. пособ. для неэлектро-техн. спец. вузов. /А.Т.Блажкин, В.А.Бесекерский и др. – 4-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 159 с. 8 Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы элек-троники. – М.: Высшая школа, 1996. –356 с. |