Измерение погрешности электронным фазометром на основе логического элемента

Реферат

ИЗМЕРЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫМ ФАЗОМЕТРОМ НА ОСНОВЕ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Содержание

1. Введение

2. Теоретическая часть

2.1 Погрешности, возникающие в измерительных системах

2.2 Ошибка запаздывания

2.3Электронный фазометр

3. Практическая часть

Список использованных источников

1. Введение

В настоящее время создаются различные регуляторы и автоматизированные системы управления. В связи с нарастающей потребностью в динамическом управлении, велико внимание к цифровой обработке данных, но при получении оцифрованных данных приходится учитывать погрешности, связанные с преобразованием. Ошибки при построении алгоритмов и неучёт информационного запаздывания могут привести к необратимым последствиям и авариям. Несвоевременное реагирование особенно опасно в химической промышленности, поэтому жёсткое статическое управление различными системами неактуально. Основные достижения измерительной техники, определяющие характеристики средств измерений, такие как их погрешности и быстродействие, связаны с развитием цифровой техники. Объясняется это тем, что быстродействующие цифровые устройства, созданные на базе интегральных схем большой и средней степени интеграции, входящие в микропроцессорные комплекты, обладают рядом достоинств. Они универсальны, то есть могут реализовывать множество различных функций, позволяют достичь высокой точности, превосходят аналоговые измерительные системы по быстродействию, экономичности и другим показателям. Во многих случаях возникает вопрос о запаздывании сигнала на пути от измерительной цепи, то есть вопрос об актуальности данных. Иногда это становится существенным для интерпретации результатов измерения, иногда это важно для разработки способов контроля над измерительным и технологическим процессом. Контроль осуществляется посредством обработки данных, полученных измерениях, и вынесения адекватного ситуации решения. В аналоговой технике существуют методы определения запаздывания, но необходимо их обобщить на цифровые приборы, то есть создать универсальную методику определения запаздывания в любой измерительной цепи. Так как возможных вариантов измерительных цепей огромное количество (в таких цепях комбинируется аналоговая и цифровая техника различного уровня быстродействия), то суть создания этой методики есть обозначение главных этапов измерения запаздывания, а не конкретные инструкции и схемы. Введение цифровых методов обработки информации в динамическом эксперименте приводит к динамическим ошибкам и погрешностям.

2. Теоретическая часть

2.1 Погрешности, возникающие в измерительных системах

Характер проявления и причины возникновения погрешностей в измерительной системе могут быть разнообразны. При многократных измерениях характеру проявления погрешности могут быть разделены на систематические и случайные. Поскольку большинство внешних факторов, действующих на систему, изменяются случайным образом, то систематической погрешностью будет отклонение математического ожидания результатов измерения от истинного значения, случайная погрешность - это разность между результатом единичного измерения и математическим ожиданием результата измерения. Можно также разделить погрешности на статические и динамические по условиям их проявления. Статические погрешности, которые имеют место после завершения переходного процесса в элементах схемы, могут быть разделены на три группы:

) методические погрешности, обусловленные неточностью задания физических величин, на использовании которых строится работа;

) инструментальные погрешности, обусловленные неточностью изготовления деталей и узлов;

) эксплуатационные погрешности, вызванные изменением внешних условий при эксплуатации.измерительной системе информация последовательно передаётся носителем одного вида к носителю другого вида. Вредное влияние на передачу информации оказывает неточность изготовления и установки элементов и возможная неравномерность распределения информации во времени и в пространстве. При преобразовании информации собственные шумы приёмника и фоновое излучение среды также искажают результат. Далее, в усилительно-преобразовательной среде всегда имеют место нестабильность коэффициента усиления и погрешность преобразования информации к виду, удобному для последующих преобразований. Технологическими источниками погрешности являются всегда шумы я преобразователя в измерительной системе. Эксплуатационными источниками погрешности являются временная нестабильность напряжения питания источника в системе, износ и нестабильность изготовления механических деталей, старения источников и преобразователей, температурная нестабильность и деформации механических деталей в системе. Динамическими погрешностями называются погрешности, заметно меняющиеся во времени. Часть статических погрешностей может быть названа условно статическими, так как они изменятся на больших отрезках времени, много больших времени проведения эксперимента (например, при износе). B научно-технической литературе нет данных, достаточных для количественной оценки влияния всех перечисленных источников погрешности, например, нет сведений о нестабильности механического изготовления деталей), потому на практике учитываются лишь некоторые из возможных факторов, а остальные оцениваются приближённо. Необходимо заметить, что часто ставится задача оптимальности подбора элементов в измерительную цепь. При этом приходится решать, какая точность является первостепенной: точность в значении результатов или актуальность этих результатов (по времени получения). Как покажет дальнейшее исследование, иногда это взаимоисключающие параметры.

2.2 Ошибка запаздывания

Ошибки, связанные с запаздыванием обычно являются динамическими, то есть меняющимися, но часто их можно назвать условно статическими, если запаздывание с небольшой погрешностью является константой, то есть практически постоянным на больших временах использования измерительной системы. Отличие "почти статического" запаздывания от "почти статической" погрешности износа, например, упоминавшейся ранее, в том, что оно практически постоянно на больших временах и не имеет тенденции роста или уменьшения. Именно такое запаздывание можно наблюдать и регистрировать, как будет описано далее. Если время запаздывания может существенно меняться (например, в триггерных схемах сигнал может пойти по разным путям с разными параметрами происхождения) непрерывно или скачкообразно, то возможность его учёта усложняется, хотя остаётся реальной. Выясним, каким бывает запаздывание. Существуют ограничения увеличения быстродействия некоторых процессов, например, переходных в р-n переходе, которые мы не можем ни корить, ни замедлить. Их невозможно регулировать, так как их параметры заложены в конструкции схемы или прибора. Есть процессы, затраты по времени в которых можно существенно сократить, то есть они регулируемые. Это касается, например, переходных процессов во внешней цепи между каскадами в усилительных схемах (путём постановки в цепь разделительного конденсатора проблему можно решить). Таким образом, измерительная система позволяет отрегулировать время задержки, либо учитывать его. B разветвлённых цепях часто встречается ошибка запаздывания, связанная с тем, что некоторая часть сигнала (импульс) может быть потерян из-за помехи.

2.3Электронный фазометр

Фазометр предназначен для измерения сдвига фаз между изменяющимися периодически электрическими колебаниями и может быть применён в радиолюбительской практике, в настоящее время измерение сдвига фаз с помощью электронного фазометра. Предлагаемый электронный фазометр даёт одновременно информацию о знаке и величине угла сдвига фаз, что делает её более наглядной.

В приборе удалось существенно упростить узлы выделения величины и знака угла и совместить

Рис.1 Временная диаграмма функции отдельных элементов.

Входные напряжения Uвх1 и Uвх2 произвольной формы (например, синусоидальных) поступают на вход формирователей DA1 и DA2 (компараторы напряжения) и преобразуются в однополярные прямоугольные импульсы с достаточно крутыми фронтами и спадами. Ширина импульсов соответствует длительности полупериода входного сигнала, что иллюстрируется на рис.1.

Динамический D -триггер выделяет знак угла сдвига фаз, т.е. фиксирует в момент формирование фронта импульса второго измерительного канала, используемого в данной схеме в качестве синхронизирующего, опережающий или отстающий характер сигнала первого измерительного канала, выход формирователя которого соединён с информационным входом D-триггера. При этом синхронизирующий импульс своим фронтом переводит D-триггер в состояние, определяемое уровнем напряжения на его информационном входе в данный момент времени. Поэтому, если входное напряжение Uвх1 опережает по фазе напряжение Uвх2 , то на прямом выходе D-триггера устанавливается напряжение, соответствующее логической единице, а на инверсном входе - логическому нулю.

Измеритель величины угла сдвига фаз реализован на базе элемента совпадения, один из входов которого соединён непосредственно с выходом формирователя DA2, а второй - через инвертор с формирователем измерительного канала. Ширина формируемого импульса на выходе такого элемента пропорциональна углу взаимного перекрытия входных импульсов. Объединение информации о величине и знаке угла в рассматриваемой схеме осуществляется за счёт введение в её состав ещё одного элемента совпадения, выполняющего те же функции измерения величины угла, что и описанный выше.

электронный фазометр погрешность колебание

3. Практическая часть

Для проведения эксперимента была собрана установка, в которой на один вход электронного фазометра подавался сигнал от источника, а на второй вход сигнал, прошедший через RC или LC контура. Далее на фазометре снимались показания: в какую сторону и на сколько отклонялась стрелка. Для объективности эксперимента, показания с фазометра снимались для разных значений R и C для RC-контура и L и C для LC-контура, измерения были сделаны на частотах f=500Гц, f=5КГц, f=50КГц.

График 1. Измеренное значение сдвига фаз и теоретическое для RC-контура.

График 2. Измеренное значение сдвига фаз и теоретическое для LC-контура.

Теперь для тех же значений рассчитаем сдвиг фаз теоретически.

Рассмотрим возникновение такого сдвига фаз на примере цепочки с ёмкостью (сложные схемы содержат наборы индуктивностей и емкостей). Пусть цепь содержит катушку индуктивности, сопротивление и источник: переменного тока.

Напряжение в цепи синусоидальное меняющееся с частотой ?:

= U*еj?*t,

где u - текущее значение напряжения, U-его амплитуда.

Полное сопротивление цепи будет выражаться комплексным числом Z. По закону Ома для участка цепи без источника напряжения находим выражение для тока, получаем сдвиг тока по фазе на некоторое значение, определяемое параметрами цепи.

Если комплексное сопротивление

Z=а+ jb= [Z] *еj?

где ? - фаза колебания, то

=R+j?L = (?R2 + ?2L2) * ej?

откуда смещение фазы колебаний находим как

?= arctg (?L/R)

так как ток есть

i=I*ej (?*t-?)

где i - текущее значение тока, I - амплитуда.

Для точно такой же цепочки с ёмкостью выражение для сдвига фазы также легко определяется:

? = arctg 1/?CR.

Возникает сдвиг по фазе тока (вперёд или назад по времени зависит от того, какой сигнал, ток или напряжение, был взят как впередиидущий), что может быть воспринято как запаздывание по времени сигнала прошедшего через участок с ёмкостью или индуктивностью. Очевидно, чтобы помереть запаздывание, можно просто измерять разность фаз идущего и запаздывающего сигналов.

Как видно из графиков 1 и 2 теоретическое и практическое значения сдвига фаз практически совпадает (относительная погрешность составила - 4,5%), чего не было при других способах измерения разности фаз (относительная погрешность измерения разности фаз с помощью эллипсов составила - 26%).

Список использованных источников

1. Гончаренко А. Фазометр на микросхемах. - Радио, 1984, №12.

. Шиянов Н. Фазометр и его применение. Сб. "В помощь радиолюбителю" вп. 105, 1989.

. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - М.: Высшая школа. - 1978.

Больше работ по теме: