Научная статья на тему 'ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТМЕТРОВ АМПЛИТУДНОГО, СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННОГО, ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЙ'

ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТМЕТРОВ АМПЛИТУДНОГО, СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННОГО, ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
96
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОЛЬТМЕТР АМПЛИТУДНЫЙ / ВОЛЬТМЕТР СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ / ВОЛЬТМЕТР ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Епифанцев К.В., Мишура Т.П.

В процессе обучения студентов дисциплине «Основы электро- и радиоизмерений» возникает необходимость их ознакомления с вольтметрами различного типа, что крайне важно для более широкого кругозора будущих специалистов, традиционно работающих в 80% случаев только со стандартным вольтметром (прямых значений). Основной целью данной работы является выявление студентами особенностей измерения тремя типами вольтметров с разными измерительными преобразователями, а также возможность визуализации происходящих процессов на осциллограммах. Подчеркивается особенность измерений на новом типе осциллографа, в многочисленности и широких пределах значений измеряемых величин которого выявляются возможности разработки новых , более передовых методик измерений с последующим выводом результатов измерений на персональный компьютер и возможностью дальнейшей обработки. Это позволяет заинтересовать студентов и привлечь их к дальнейшей исследовательской работе с применением новых цифровых платформ и инструментов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Епифанцев К.В., Мишура Т.П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROBLEMS OF RESEARCH OF VOLTMETERS OF AMPLITUDE, AVERAGE-STRAIGHTENED, EFFECTIVE VALUES

In the process of teaching students the discipline "Fundamentals of electrical and radio measurements", there is a need to familiarize them with voltmeters of various types, which is extremely important for a broader outlook of future specialists, who traditionally work in 80% of cases only with a standard voltmeter (direct values). The main purpose of this work is to identify by students the features of measuring three types of voltmeters with different measuring transducers, as well as the possibility of visualizing the processes taking place on oscillograms.

Текст научной работы на тему «ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТМЕТРОВ АМПЛИТУДНОГО, СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННОГО, ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЙ»

Проблемы исследования вольтметров амплитудного, средневыпрямленного, действующего значений

Епифанцев Кирилл Валерьевич

кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, epifancew@gmail.com

Мишура Тамара Прохоровна

кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

В процессе обучения студентов дисциплине «Основы электро-и радиоизмерений» возникает необходимость их ознакомления с вольтметрами различного типа, что крайне важно для более широкого кругозора будущих специалистов, традиционно работающих в 80% случаев только со стандартным вольтметром (прямых значений). Основной целью данной работы является выявление студентами особенностей измерения тремя типами вольтметров с разными измерительными преобразователями, а также возможность визуализации происходящих процессов на осциллограммах. Подчеркивается особенность измерений на новом типе осциллографа, в многочисленности и широких пределах значений измеряемых величин которого выявляются возможности разработки новых , более передовых методик измерений с последующим выводом результатов измерений на персональный компьютер и возможностью дальнейшей обработки. Это позволяет заинтересовать студентов и привлечь их к дальнейшей исследовательской работе с применением новых цифровых платформ и инструментов. Ключевые слова: вольтметр амплитудный, вольтметр сред-невыпрямленных значений, вольтметр действующих значений осциллограф.

В процессе работы студентам необходимо разобраться, в чем различие между средствами измерений, которые они использовали в своей работе, в чем особенность каждой формы исследуемого сигнала, какая погрешность измерений каждого из используемых средств измерений.

Радиоизмерения, измерения электрических, магнитных и электромагнитных величин и их отношений, характеризующие работу радиотехнических устройств в диапазоне частот от инфразвуковых до сверхвысоких, играют, безусловно, значительную роль в развитии радиотехники и систем связи, развитии отечественного авиастроения. В университете аэрокосмического приборостроения данный тип измерений занимает важное место при развитии компетенций многих специальностей.

В состав лабораторной установки (рис. 1) входят:

• три вольтметра с разными типами детекторов: амплитудного (ВА11), средневыпрямленного (Ф5053), действующего значений (GENSTEK) и стандартный Voltcraft;

• источники сигналов синусоидальной формы (генератор высокой частоты, ЛАТР - лабораторный автотрансформатор напряжения сети);

• источник сигналов сложной формы, выполненный в виде лабораторного макета;

• цифровой осциллограф АКИП-4115/3А.

сч сч о сч

О Ш

т

X

Рис. 1- Используемые вольтметры и формирователь сигналов ЛАТР

<

т о х

X

Первые два вольтметра - промышленные приборы, шкала которых проградуирована в действующих значениях синусоидального напряжения. Третий представляет собой триодный вольтметр, шкала которого градуируется в процессе выполнения работы.

Алгоритм работы представлен в таблице 1.

Таблица 1 Алгоритм работы

Включите в цепь формирователь сигналов ЛАТР

Включите в цепь осциллограф АКИП 4115/3А, соедините с ЛАТР между собой как показано белыми стрелками

Управляете тумблером на формирователе сигналов, переключаясь от одной формы сигналов к другой

Описание алгоритма действий

Осциллограмму каждого из трех видов сигналов выведите на экран компьютера, согласно видеометодике (Рис. 6). Зафиксируйте длину волны, высоту подъема, точки минимума и максимума, используя клавишу осциллографа «измерение». С помощью регулировки уровня положения осциллограммы, выведите ее в удобное расположение экрана. В зависимости от положения тумблера на формирователе сигналов будет получено 3 типа осциллограмм

Заполните таблицу 2 Разъедините цепь

Фото

ЯУУУУт

преобразователь аналогового сигнала, блок управления, жидко-кристаллическую панель (ЖК).

В начале работы необходимо визуально рассмотреть, чем отличаются сигналы разных форм друг от друга. Для этого нужно воспользоваться источником этих сигналов ЛАТР и осциллографом запоминающего типа АКИП. По сравнению с аналоговыми, цифровые осциллографы (рис. 1) имеют более широкие возможности. Стоимость их постепенно снижается, и они становятся доступными для обучения. Цифровой осциллограф включает в себя делитель напряжения, усилитель,

__сЭ Су

оу|| ц ц ■ • -

Рис.1 - Цифровой запоминающий осциллограф

Принцип действия такого вида осциллографов основан на преобразовании входящего аналогового сигнала в цифровую форму и хранении. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение ЖК дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память изображение экрана с результатами измерения с возможностью распечатать их на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки. Работа с таким осциллографом позволяет студентам изучить принцип работы прибора, овладеть методикой исследования сигналов разной формы, не только наблюдая за изображением, но и получая значения их параметров в цифровой форме, а затем сравнить эти показания с результатами измерений, полученными с помощью других типов средств измерений.

Исследование особенностей измерения напряжений сложной формы заключается в сравнении результатов их измерений тремя типами вольтметров при разных полярностях напряжений и+ и и- .

При подготовке к выполнению исследования необходимо учесть, что любое периодическое переменное напряжение и^) полностью характеризуется следующими значениями [3,4]:

- амплитудным ит, т. е. максимальным из мгновенных значений и^) за период Т напряжения (рис. 2, а, б);

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м м

2

3

сч сч о сч

о ш Ш X

<

m о х

X

б)

Рис. 2 - Формы переменного напряжения: а -- однополярное

двухполярное; б

- средневыпрямленным исв, которое является средним арифметическим из мгновенных абсолютных значений и^) за период Т (рис. 2, а)

1 t

Ucb = j j и (t) d

(1)

- средним иср (постоянной составляющей ио), которое является средним алгебраическим из мгновенных значений и^)за период Т

Ucp Uo

1

j j U (dt

(2)

- действующим (среднеквадратическим или эффективным) и, которое является средним квадратическим из мгновенных значений и^) за период Т

U =

1 *

T j U2 ( )dt

(3)

Для каждой из форм кривой напряжения u(t) существует определенная связь между этими значениями, устанавливаемая с помощью коэффициента амплитуды Ka = Um/U и коэффициента формы Кф = и/исв .

Так для u(t)=UmSin(wt) по выражениям (2) и (3) можно

установить, что U m= 42 U; исв=2ит/л=0,9и=0,63бит. Тогда для синусоидального напряжения

Ka= 42, Кф=1,11. Значения Ка и Кф для других исследуемых форм u(t) приведены в табл. 2.

Все вольтметры переменного тока [4,5], построены по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное. Постоянный ток пропорционален одному из значений Um , исв или (иср). Тип преобразователя (де-

тектора) определяет название вольтметра: амплитудного, действующего или средневыпрямленного значений. Независимо от типа детектора все вольтметры градуируются по действующему значению и синусоидального напряжения. Следовательно, при градуировке амплитудных вольтметров значения всех оцифрованных

точек шкалы уменьшены в 42 раз, вольтметров сред-невыпрямленного значения увеличены в 1,11 раз, для вольтметров действующего значения градуировочный множитель равен 1.

В связи с этим при измерении напряжений, по форме отличных от синусоидальной, следует учесть особенности градуировки, чтобы вернуть полученные показания ип к действующим значениям ит или исв . Так, для амплитудных вольтметров 42 ип = ит , а для вольтметров средневыпрямленного значения ип /1,11 = исв . Показания вольтметров эффективного значения не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, т. е. при любой форме иа = и.

Еще одной особенностью измерения напряжений сложной формы является присутствие в них постоянной составляющей ио = иср , для которой вход вольтметра может быть закрыт. Это обстоятельство также следует учитывать при оценке показаний вольтметров [1,2].

Источником напряжений сложной формы является лабораторный макет генератора. Форма напряжения изображена на его верхней панели и переключается с помощью коммутатора в три положения. Переключателем на два положения изменяется полярность напряжения. Для одновременного подключения трёх вольтметров на выход генератора предусмотрены 3 пары выходных клемм. При подключении вольтметров следует строго соблюдать полярность включения. Потенциальный вход вольтметра должен быть подключен к верхней клемме макета.

Перед началом исследований необходимо с помощью осциллографа проконтролировать форму каждого напряжения на выходе генератора и измерить его амплитуду ит, пользуясь методикой прилагаемой к осциллографу. Полученные осциллограммы сфотографировать в реальном линейном масштабе и привести в отчете по лабораторной работе [7].

Подключить к выходу генератора параллельно три вольтметра и снять показания каждого из них при двух полярностях напряжения и+ и и- каждой из форм. По результатам измерений определить для каждого сигнала ит, иср(ио), и, а также рассчитать коэффициенты Ка и Кф. Для этого необходимо действовать следующим образом:

- выявить наличие в сигнале постоянной составляющей (первый и второй сигналы), так как для вольтметров с закрытым входом (последовательно включенный конденсатор на входе) в полученном результате измерения постоянная составляющая сигнала ио будет отсутствовать (для наглядности представления рекомендуется геометрически вычесть ио из кривой исследуемого сигнала);

- рассчитать для вольтметра среднеквадратиче-ского значения с закрытым входом

u = ju2 + и2 + u22 +....,

где ио - постоянная составляющая, равная, например, ип/1,11 для вольтметра средневыпрямленного зна-

чения; U„2 = U2 + U 22 +.

квадрат показываемой

величины напряжения триодным вольтметром (действующего значения), равный сумме квадратов действующих значений первой, второй и т. д. гармонических составляющих сложного по форме напряжения;

- рассчитать для вольтметра амплитудного значения ит=(|и+п|+|и.п|)- л/2, учитывая, что постоянная составляющая равна и-п- у[2 , где и-п и и+п - показания амплитудного вольтметра при различной полярности подключения;

- вычислить для вольтметра средневыпрямленного значения исв=ип/1,11, где ип - показания вольтметра средневыпрямленного значения;

- рассчитать значения Ка и Кф ;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- сопоставить результат вычислений ит с данными, полученными с помощью осциллографа, а результаты расчета Ка и Кф - с их теоретическими значениями (табл. 2).

Примечание: в табл. 2 номерами 1, 2 и 3 обозначаются вольтметры действующего, амплитудного и средневыпрямленного значений напряжения соответственно.

Алгоритм выполнения второй части работы представлен в таблице 2.

Таблица 2

Алгоритм работы со 2 частью лабораторной работы

Клеммы ЛАТР подсоедините к мультиметру, соблюдая полюсность, как показано белыми стрелками

Подключите к клеммам вместо осциллографа мультиметр УоКсгаА и на отметке АС проведите измерения в каждом из токов разных форм, подключив вольтметр к формирователю сигналов. На формирователе сигналов измените полюс-ность щелком тумблера и еще раз зафиксируйте силу тока, заполните таблицу 4

Подключите попеременно все клеммы ЛАТР к ВА11, проанализируйте, как меняется напряжение при нажатии клавиш «вниз» «вверх на центральной панели прибора». Поменяйте полярность. Запишите измерения в табл.4

Подключите попеременно все клеммы ЛАТР к GENSTEK, рассмотрите, как меняется напряжение при нажатии клавиш «вниз» «вверх на центральной панели прибора». Поменяйте полярность. Запишите измерения в табл.4

О росс С. О О Р

'+ гпБЗ и в' ж в в в В

Подключите попеременно все клеммы ЛАТР к Ф5053, рассмотрите, как меняется напряжение при нажатии клавиш «вниз» «вверх на центральной панели прибора». Поме няйте полярность. Запишите измерения в табл.4

Все результаты измерений по алгоритму, представленному в табл.3, занести в табл.3.

Таблица 3

измерении

Форма сиг- Пере- 1 2 3

нала, МГц ключе-

ние по-

люсов

Показания УоКсгай min max min max min max

Полюс-ность +

Показания ВА11 Полюс-ность +

Показания GENSTEK Полюс-ность +

Показания Ф5053 Полюс-ность +

-

В изложенном материале подчеркивается особенность измерений на новом типе осциллографа, в многочисленности и широких пределах значений измеряемых величин которого выявляются возможности разработки новых , более передовых методик измерений с последующим выводом результатов измерений на персональный компьютер и возможностью дальнейшей обработки. Это позволяет заинтересовать студентов и привлечь их к дальнейшей исследовательской работе с применением новых цифровых платформ и инструментов.

Литература

1. РМГ 29-2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» М.: Стандартинформ, 2014.

2. Основы метрологии: учеб. пособие / В.В. Окрепи-лов, Ю.А. Антохина, А.А. Оводенко, Е.Г. Семенова, В.Ш. Сулаберидзе, А.Г. Чуновкина. - СПб.: ГУАП, 2019. - 485 с. ISBN 978-5-8088-1338-0

3. ГОСТ 8.417-2002 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Единицы величин (с Поправками) (электронный ресурс http://docs.cntd.ru/document/1200031406). (дата обращения 20.02.22).

4. ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования. Электронный ресурс http://www.vashdom.ru/gost/8.401-80/ (дата обращения 20.02.22).

5. Секисов Ю.Н., Паутов В.И., Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия. https://gendocs.ru/v11639/ (дата обращения 28.02.22).

6. Епифанцев К.В., Воронин А.В. Проблемы разработки виртуального осциллографа. В книге: Метрологическое обеспечение инновационных технологий. СПб, ГУАП. Международный форум. 2020. С. 53-54.

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м м

6

2

4

5

7. Т.П. Мишура, К.В. Епифанцев. Метрология и радиоизмерения (учебно-методическое пособие) СПб.: ГУАП, 2020. - 79 С.

Problems of research of voltmeters of amplitude, average-straightened,

effective values Epifantsev K.V., Mishura T.P.

St. Petersburg state university of aerospace instrumentation JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90

In the process of teaching students the discipline "Fundamentals of electrical and radio measurements", there is a need to familiarize them with voltmeters of various types, which is extremely important for a broader outlook of future specialists, who traditionally work in 80% of cases only with a standard voltmeter (direct values). The main purpose of this work is to identify by students the features of measuring three types of voltmeters with different measuring transducers, as well as the possibility of visualizing the processes taking place on oscillograms.

Keywords: an amplitude voltmeter, a voltmeter of average straightened values, a voltmeter of active values, an oscilloscope.

References

1. RMG 29-2013 "GSI. Metrology. Basic terms and definitions" M.: Standartinform, 2014.

2. Fundamentals of metrology: textbook. allowance / V.V. Okrepilov, Yu.A.

Antokhina, A.A. Ovodenko, E.G. Semenova, V.Sh. Sulaberidze, A.G. Chunovkin. - St. Petersburg: GUAP, 2019. - 485 p. ISBN 978-5-80881338-0

3. GOST 8.417-2002 State System for Ensuring the Uniformity of Measurements (GSI). Units of quantities (with Amendments) (electronic resource http://docs.cntd.ru/document/1200031406). (Date of access 20.02.22).

4. GOST 8.401-80 State system for ensuring the uniformity of measurements.

Accuracy classes of measuring instruments. General requirements. Electronic resource http://www.vashdom.ru/gost/8.401-80/ (accessed 20.02.22).

5. Sekisov Yu.N., Pautov VI, Fundamentals of technical measurements.

Lecture notes. Yekaterinburg, USTU-UPI, 2008. Electronic version. https://gendocs.ru/v11639/ (accessed 02/28/22).

6. Epifantsev K.V., Voronin A.V. Problems of developing a virtual oscilloscope. In the book: Metrological support of innovative technologies. St. Petersburg, GUAP. International forum. 2020. S. 53-54.

7. T.P. Mishura, K.V. Epifantsev. Metrology and radio measurements

(educational manual) St. Petersburg: GUAP, 2020. - 79 p.

СЧ СЧ

о

СЧ

to

О Ш

m

X

<

m О X X

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.