Методичні вказівки до проведення лабораторної роботи «Дослідження роботи вимірника різниці фаз Ф2-16»

Новокаховський приладобудівний фаховий коледж

  Лабораторія № 607 

Дисципліна: "Навчальна практика з вимірювань в ТК- та РТ-системах"

МЕТОДИЧНІ   ВКАЗІВКИ  ДО  ПРОВЕДЕННЯ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

" Дослідження роботи вимірника різниці фаз Ф2-16"

Ціль  роботи: одержати практичні навички по вимірюванню фазового зрушення за допомогою цифрового фазометра Ф2-16, що працює за принципом перетворення фазового зрушення в часовий інтервал.

Короткі теоретичні відомості

Фазометр Ф2-16 призначений для виміру кутів зрушення фаз між двома   електричними коливаннями, що змінюються періодично, і може бути застосований у радіоаматорській практиці при розробці, регулюванні й експлуатації електронних і електротехнічних апаратів і пристроїв. Пропонований електронний фазометр дає одночасно інформацію про знак і величину кута зрушення фаз, що робить її більш наочною.

Основні технічні характеристики фазометра Ф2-16:

- діапазон вимірюваних кутів зрушення фаз, ел. град . . . 0...180;

- діапазон робочих частот, Гц . . . 10...10⁴;

- похибка виміру, %, не більш . . . 2.

Принцип дії фазометра. У фазометрі Ф2-16 вимірюване фазове зрушення перетворюється в часовий інтервал (див. рисунки 1,а та1,б).

Рисунок 1 - Структурна схема і часові діаграми фазометра з перетворенням фазового зрушення в часовий інтервал

За допомогою формуючих устроїв (ФУ) з досліджуваних напруг u₁ і u₂ виробляються короткочасні імпульси в моменти переходу напруг через нуль у бік  збільшення. Ці імпульси надходять на входи S і R тригера T і на його виході формуються прямокутні імпульси. Тривалість імпульсів тригера τ пропорційна вимірюваному зрушенню фаз:

τ = φT /360° .                                                    (1)

Середнє значення напруги U_сер на виході тригера, пропорційне вимірюваному фазовому зрушенню, виміряється убудованим цифровим вольтметром постійної напруги:

.                                  (2)

При цьому амплітуда імпульсів U_m вибирається таким чином, щоб покази вольтметра чисельно збігалися з фазовим зрушенням φ, що виражений у градусах.

При такому способі виміру фазового зрушення може виникнути систематична похибка через несиметричне обмеження досліджуваних напруг у ФУ. У цьому випадку напруга на виході обмежника, наприклад у ФУ1, буде мати постійну складову (див. рисунок 1 в). Коло, що диференціює, що входить  у ФУ, не пропускає постійну складову, тому моменти переходу напруги через нуль зміщаються (показане на рисунку 1, в стрільцями). Зміна інтервалу τ приводить до похибки виміру фазового зрушення.

Структурна схема. Фазометр Ф2-16 виконаний по двоканальній схемі; опорний канал (ОК) і вимірювальний канал (ВК) ідентичні (див. рисунок 2).

Рисунок 2 - Структурна схема фазометра Ф2-16

Для усунення похибки через несиметричне обмеження у фазометрі використовуються два тригери. Підсилювачі-обмежники виконані за двотактною схемою, тому їхні вихідні напруги u₃, u₄ та u₅, u₆ протифазні.

Роль  кіл, що диференціюють, виконують дискримінатори рівня. Дискримінатори ОК спрацьовують при проходженні через нуль напруг u₃, u₄ убік  збільшення, а дискримінатори ВК спрацьовують при проходженні через нуль напруг u₅, u₆ убік  зменшення. Тригер Т₂ переключається позитивним імпульсом u7 і негативним імпульсом u₉. Тригер Т₁ переключається відповідно імпульсами u₈ та u₁₀, які зрушені на півперіоду відносно u₇ та u₉. Прямокутні імпульси u₁₁ і u₁₂ амплітудою 6 В з тригерів Т₁ і Т₂ складаються в суматорі, утворюючи напругу u₁₃. Туди ж подається напруга зсуву -12 В. Підсилювач постійного струму (ППС) виділяє постійну складову і змінює її полярність, після чого напруга виміряється цифровим вольтметром. Якщо в першому каналі, наприклад, обмеження несиметричне, то імпульси u₇ і u₈ зрушені, як показано стрільцями на рисунку 2. Імпульс u₁₁ стане коротше, а імпульс u₁₂ – довше, тому результуюча постійна складова залишиться без зміни.

Принципова схема електронного фазометра приведена на рисунку 3.

Вхідні напруги U_вх1 и U_вх2 довільної форми  від вимірюваних кіл через дільники надходять на вхід формовувачів DA1 и DA2 (компаратори напруги) і перетворюються в однополярні прямокутні імпульси з крутими фронтами. Ширина імпульсів відповідає тривалості напівперіоду вхідного сигналу.

Рисунок 3 - Принципова схема електронного фазометра

Динамічний D-тригер (DD1) виділяє знак кута зрушення фаз, тобто  фіксує момент формування фронту імпульсу другого вимірювального каналу, що використовується в даній схемі в якості синхронізуючого (тактового). При цьому синхронізуючий імпульс своїм фронтом переводить D-тригер у стан, обумовлений рівнем напруги на його інформаційному вході в даний момент часу. Тому, якщо вхідна напруга U_вх1 випереджає по фазі напругу U_вх2 , то на прямому виході D-тригера (контакт 9) установлюється напруга, що відповідає логічній одиниці, а на інверсному виході - логічному нулю.

Вимірник величини кута зрушення фаз реалізований на базі елемента збігу (DD2.2), один із входів якого з'єднаний безпосередньо з виходом формовувача DA2, а другий - через інвертор DD2.1 з формовувачем DA1 вимірювального каналу. Ширина сформованого імпульсу на виході такого елемента пропорційна куту взаємного перекриття вхідних імпульсів, тобто  куту зрушення фаз між напругами U_вх1 та U_вх2, що підтверджується часовими діаграмами.

Об'єднання інформації про величину і знак кута в розглянутій схемі здійснюється за рахунок введення в її склад ще одного елемента збігу (DD2.3), що виконує ті ж функції виміру величини кута, що й описаний вище.

Вимірювальний прилад  РА1 включений між виходами елементів збігу DD2.2 і DD2.3, які утворюють при цьому диференціальну схему, унаслідок чого його стрілка буде відхилятися убік  на кут, що відповідає куту зрушення фаз між напругами U_вх1 та U_вх2.

Конденсатор С₁, включений паралельно індикатору PA1, призначений для зменшення пульсації стрілки при вимірах на низьких частотах.

Побудова вхідних кіл фазометра дозволяє вимірювати кут зрушення фаз не тільки між двома напругами, але і між струмом і  напругою чи між двома струмами, для чого вхідні дільники мають відповідними контакти.

Порядок виконання лабораторної роботи

Таблиця 1 -  Варіанти лабораторного завдання

1.               У програмі Multisim  зберіть схему згідно рисунку 4.

Рисунок 4 – Схема дослідження фазометра

2.               Установіть фазове зрушення джерела сигналу U₁ φ₁=0° і, змінюючи фазовий кут φ₂ джерела сигналу U₂ від 10° до 160°, зніміть покази вольтметра постійного струму U. Результати вимірів занесіть у таблицю 2, яка повинна бути побудована в програмі Excel.

Таблиця 2 – Побудова градуіровочної характеристики (приклад)

3. За даними таблиці 2 побудуйте в програмі Excel графік φ = f(U). За графіком φ = f(U) побудуйте рівняння градуіровочної характеристики фазометра:

- клацніть правою клавішею миші на одній із точок графіка, що побудований за даними таблиці 2;

- у контекстовому меню, що з’явилося,  виберіть пункт «Добавити лінию тренду»;

- у  вікні, що з'явилося, «Линія тренду» настройте тип і параметри  кривої, що згладжує (у даному випадку виберіть тип лінії тренда «Линійна»);

- на вкладці «Параметри» відзначте "галочкою" поле «Показати рівняння  на диаграмі» і натисніть кнопку «ОК». Коефіцієнти  прямої, що згладжує (лінія тренда), розраховуються в програмі по методу найменших квадратів;

- одержіть графік у виді, що представлений на рисунку 5;

- запишіть рівняння градуіровочної характеристики в таблицю 2.

Рисунок 5  - Приклад побудови градуіровочної характеристики фазометра

4.               Установіть в схемі дослідження фазометра задані параметри сигналів U₁ та  U₂ відповідно до варіанту завдання.

Установіть у вікні установки параметрів масштабуючої ланки значення коефіцієнта підсилення (Voltage Gain) і вихідної напруги зсуву нульового рівня (OVOS) з рівняння градуіровочної характеристики (див. рисунок 6 і таблицю 2).

Рисунок 6  - Приклад установки параметрів масштабуючої ланки

Включіть схему і запишіть  покази індикатора «Фаз. зрушення (в град.)» в таблицю 3.

5. Джерелами похибок у таких фазометрах є:

- нестабільність порога спрацьовування формовувачем;

- нестабільність пікового значення напруги U_m послідовностей імпульсів U₅ (див. рисунок 6);

- похибка виміру значення напруги цих послідовностей імпульсів U₅ вольтметром.

Обчисліть абсолютну погрішність виміру різниці фаз з формули:

Δφ_вим =|φ - φ_вим| .                                                  (3)

Обчисліть  основну похибку виміру різниці фаз приладом Ф2-16 з формули:

Δφ_прил = ± (0,2 + 0,004φ + 0,05 А) ,                                  (4)

де φ – вимірювана (задана)  різниця фаз, градуси;

       А – відношення вхідних напруг, дБ (А =20lg(U₂/U₁).

Обчисліть відносну похибку виміру фазового зрушення з формули:

[%].                                         (5)

Результати обчислень занесіть у таблицю 3.

Таблиця 3 - Вимір фазового зрушення (приклад)

5.               За допомогою двопроменевого осцилографа прогляньте епюри напруг у точках 1, 3, 5 і 6 схеми дослідження фазометра (див. приклад побудови епюр на рисунку 7).

Зміст звіту по лабораторній роботі

1. Назва і мета лабораторної роботи.

2. Схема виміру фазового зрушення.

3. Таблиці вимірів і обчислень параметрів. Формули розрахунків.

4. Градуіровочна характеристика фазометра.

5. Часові діаграми фазометра.

6. Короткі висновки про роботу.

7. Короткі відповіді на контрольні питання.

Рисунок  7  -  Часові діаграми фазометра

Контрольні питання

1. Як усувається похибка у фазометрі Ф2-16?

2. Поясніть принцип дії фазометра з перетворенням вимірюваного фазового зрушення в часовий інтервал.

Література

1.                Гуржій А.М.,  Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні  вимірювання / А.М. Гуржій,  Н.І. Поворознюк. – Київ: Навчальна  книга,  2002.
2.               Муратов В.Г. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади  навчальний посібник. - вид. 2-е, доп. / В.Г Муратов. - К.: Освіта України, 2016 -– (Рек. МОН України).

© НКПФК,  О.М.Тосенко, 2024