POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI ZAKŁAD METROLOGII I SYSTEMÓW POMIAROWYCH METROLOGIA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, ul. W. Pola Rzeszów, Pomiary wielkości elektrycznych i magnetycznych: napięcia i prądu, częstotliwości i okresu, przesunięcia fazowego.

Pomiary napięcia i prądu Wprowadzenie 1.1 Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego [1] str Właściwości dynamiczne 1.3 Właściwości statyczne - ocena przetworników pomiarowych w procesie ich uwierzytelniania [1]str Opis dokładności przyrządu pomiarowego błędem addytywnym i multiplikatywnym [1] str Porównanie wpływu zmienności przedziału błędów na wyznaczenie zbioru wspólnego [1] str Pomiary napięcia str Pomiary napięcia - kompensatory 2.3 Błędy woltomierzy analogowego i cyfrowego [1] str Zadanie 1, str Zaokrąglenie wyznaczanych wartości błędów [2]str Zaokrąglenie wyznaczanych wartości wielkości [2] str Zadanie 2, [1] str Zadanie 3 [1], str Podsumowanie 3.1 Woltomierze cyfrowe [1] str Woltomierz wielofunkcyjny [1] str Zagadnienia do opracowania, literatura

Pomiary częstotliwości, okresu, przesunięcia fazy - metody analogowe i cyfrowe Zagadnienia Pomiary częstotliwości - wzorce Wzorzec pierwotny częstotliwości Kwarcowe wzorce częstotliwości Budowa generatorów pomiarowych Wobulator Metody pomiaru częstotliwości sygnału Metoda cyfrowa bezpośredniego pomiaru częstotliwości Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous Podsumowanie Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [3]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str , skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [4]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str , skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004,

Pomiary częstotliwości - wzorce A B C  f/f Rys Wzrost dokładności wzorców w latach A. wzorce kamertonowe B. wzorce kwarcowe C. wzorce atomowe X P1 P2 P3 niestabilność wzorca atomowego Rys Stabilność wzorców kwarcowych w czasie, w porównaniu z wzorcem atomowym Wzorce czasu: wzorce pierwotne (wzorce laboratoryjne najwyższej klasy ) Czas atomowy międzynarodowy - TAI (Temps Atomique International Czas uniwersalny średni - TU1 (Tempa Universel 1) ; wzorce wtórne wzorce użytkowe

4.1Wzorzec pierwotny częstotliwości Piec cezowy Selektor magnetyczny Komora mikrofalowa Powielacz jonów Selektor magnetyczny II Detektor promieniowania Spektrometr masowy Wejście mikrofalowe f= Hz wyjście Ekrany magnetyczne Rys Schemat funkcjonalny cezowej lampy promieniowej W piecu emitowane są atomy o dwóch poziomach energetycznych F=4 i F=3 Po selektorze tylko F=4 W komorze przechodzą do grupy F=3 Po selektorze tylko F-3 W detektorze następuje przejście do F=4 Uzyskaną tak falę promieniowania mierzy detektor fotonowo/jonowy Jony zostają uporządkowane w spektrometrze masowym są przesłane na powielacz i wzmacniacz Prąd wyjściowy zawiera składową stałą i składową przemienną o bardzo stabilnej częstotliwości 137 Hz. generator kwarcowy 5MHz Wzmacniac z syntetyzer modulator f2-90MHz generator Harmoniczny ch generator f s =137Hz lampa cezowa promieniowa Wzmacniac z detektor R C f w =5MHz f3f3 f4f4 I wy Rys Schemat struktury atomowego etalonu częstotliwości Aktywny Maser Hydrogenowy CH1-75 DATUM FTS 4040A/RS CESIUM FREQUENCY STANDARD

4.2Kwarcowe wzorce częstotliwości Rys Schemat blokowy generatora częstotliwości wzorcowej ze stabilizacją kwarcową Generatory pomiarowe, podział i wymagania generatory częstotliwości podakustycznych ( 0,001 Hz ¸ 20 Hz) generatory częstotliwości akustycznych ( 20 Hz ¸ 20 kHz) generatory częstotliwości ponadakustycznych ( 20 kHz ¸ 200 kHz) generatory wielkiej częstotliwości ( 100 kHz ¸ 150 MHz) generatory bardzo wielkiej częstotliwości ( 150 MHz ¸ 300 GHz) generatory małej mocy ( Pwy < 0,1 W ) generatory średniej mocy ( Pwy < 10 W ) generatory dużej mocy ( Pwy > 10 W ) generatory napięć sinusoidalnych generatory funkcyjne: generatory impulsów prostokątnych, generatory przebiegów trójkątnych i piłokształtnych generatory szumów generatory dewiacyjne. ARW wzmacniacz separator zasilacz stabilizator temperatury termostat rezonator kwarcow y wy

Budowa generatorów pomiarowych generator wzbudzający wzmacniac z separator wzmacniac z mocy R dzielnik napięcia woltomierz częstościomierz wy Rys Schemat funkcjonalny generatora pomiarowego + R1R1 R2R2 R C R C U wy U we -  k u =1(4.2)  1 +  2 =2n  (4.3) Rys Schemat układu generatora z mostkiem Wiena zakres częstotliwości 0,1 Hz ¸ 1 MHz. współczynnikiem zniekształceń nieliniowych (poniżej 0,1%) dużą stabilnością częstotliwości (1,5 × 10-4 ¸2,5 ×10-3). 2A – Wzorzec częstotliwości synchronizowany drogą radiową - TANIA ALTERNATYWA umożliwia odbiór sygnałów na częstotliwościach 198 kHz (Droitwich Radio 4) oraz 162 kHz (France Inter). zastosowanie w szeregu aplikacji, takich jak: analizatory widma, mikrofalowe analizatory sieciowe, czasomierze, odbiór stacji bazowych systemów TETRA, GSM, CDMA oraz VHF/UHF PMR. MG3690A – Rodzina Generatorów Sygnałowych (Syntezerów) od 0,1Hz do 65GHz Seria wysokiej klasy szerokopasmowych generatorów mikrofalowych MG3690A składa się z 6 modeli pokrywających pasmo od 0.1 Hz do 65 GHz z rozdzielczością 0,01Hz.

Wobulator oscyloskop we x y wobuloskop gnerator w.cz układ periodycznego przestrajania detektor wobulator napięcie podstawy czasu obiekt badany Rys Schemat blokowy wobuloskopu

Metody pomiaru częstotliwości sygnału. Interferencyjna metoda pomiaru częstotliwości xx ww MIESZACZ Wskaźnik zera dudnień  f  f a. b. Rys Pomiar częstotliwości metodą interferencyjną. a.schemat blokowy pomiaru metodą interferencyjną. b. idealny przebieg porównania ff -f-f Rys Rzeczywiste charakterystyki porównania sygnałów metodą interferencyjną

4.8 Metoda cyfrowa bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości Rys Schemat blokowy metody cyfrowej bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości t t t (4.12) U=U(f x ) fwfw licznik pamięć enkoder pole odczytowe dzielnik sterowanie Metoda bezpośrednia Metoda pośrednia Podstawowym warunkiem pomiaru jest : wówczas liczba zliczonych impulsów odpowiada mierzonej częstotliwości i można ją wyrazić wzorem: 3 1 t t t 2 f X >>f W; (4.6) (4.7) (4.8) f X <<f W (4.10) (4.11) (4.13)

4.10 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu - wyjaśnienie pracy w oscyloskopu U – napiecie mierzone, obserwowane na ekranie U level – napięcie poziomu wyzwalania U wy – napięcie wyzwalania generatora podstawy czasu U pcz – napięcie generatora podstawy czasu

4.10 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu 1 W klucz elektroniczny Generator podstawy czasu U m sin  t Generator pracy przemiennej i próbkującej Blok synchronizacj i Y1/Y2 Wzmacniac z Y1 Wzmacniac z Y2 WE Y1 WE Y2 2 T H L Rys Schemat pomiaru częstotliwości oscyloskopem z wykorzystaniem podstawy czasu (4.15) (4.16) (4.17)

4.11 Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous 1 W klucz elektroniczny Generator podstawy czasu U m sin  w  t U m sin  t Generator pracy przemiennej i próbkującej Blok synchronizacj i Y1/Y2 Wzmacniac z Y1 Wzmacniac z Y2 WE Y1 WE Y2 2 H L Rys Układ do pomiaru częstotliwości metodą krzywych Lissajous Obraz ten może przedstawiać następujące treści: elipsa, koło -  /  w = 1/1 ósemka -  /  w = 1/2 ósemka leżąca -  /  w = 2/1 (4.18) A – liczba przecięć obrazu z osią X B – liczba przecięć obrazu z osią Y (4.19)

Pytania : Wymień wzorce częstotliwości. 1.Budowa kwarcowego wzorca częstotliwości. 2.Właściwości metrologiczne kwarcowego wzorca częstotliwości. 3.Budowa molekularnego wzorca częstotliwości. 4.Właściwości metrologiczne molekularnego wzorca częstotliwości. 5.Podział generatorów. 6.Schemat blokowy generatora pomiarowego. 7.Ganerator z mostkiem Wiena. 8.Generatory dewiacyjne, wobuloskop. 9.Wymień metody pomiaru częstotliwości. 10.Pomiar częstotliwości przez zdudnianie. 11.Pomiar częstotliwości metodą analogową. 12.Pomiar częstotliwości metodą cyfrową bezpośrednią. 13.Pomiar częstotliwości metodą cyfrową pośrednią. 14.Metody interferencyjne pomiaru częstotliwości. 15.Metody oscyloskopowe pomiaru częstotliwości. 16.Metoda krzywych Lissajous Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [1]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str , skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [2]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str , skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004,

Pomiar przesunięcia fazy 5.1 Fazomierze cyfrowe Rys Schemat blokowy fazomierza cyfrowego (5.1) tx = N2 Tw(5.2) (5.3) (5.4) txtx N1N1 t x ~  x U t U K1 t U K2 t t t t t U s1 TxTx U s2 U t1 U t Rys Przebiegi czasowe w fazomierzu cyfrowym (5.5) (5.6) błąd zliczania 1/N 2, niestałość częstotliwości wzorcowej (  g ), błąd bramkowania  B, niejednakowe opóźnienia w obu kanałach (  p ), niestałość częstotliwości sygnału mierzonego(  s ), błąd  Z uwarunkowany zniekształceniami przebiegu badanego. (  z ),

Cyfrowy pomiar przesunięcia fazy z uśrednianiem Bramk a Dzielnik częstotliwości Licznik Transkoder d a Układ kształtu- jący Bramk a Przerzutnik bramkujący Generator impulsów wzorcowych B1B1 B2B2 c b a Pole odczytowe Układ kształtu- jący Rys Układ cyfrowego pomiaru przesunięcia faz z uśrednianiem (5.7) (5.8) a u1u1 u2u2 txtx TxTx NxNx N t t t N t b c d t B2 Rys Przebiegi czasowe w układzie cyfrowego pomiaru przesunięcia faz z uśrednianiem

a b L 1 W klucz elektroniczny Generator podstawy czasu U m sin(  t+  ) U m sin  t Generator pracy przemiennej i próbkującej Blok synchronizacj i Y1/Y2 Wzmacniac z Y1 Wzmacniac z Y2 WE Y1 WE Y Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu elektronicznego Rys Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą dwukanałowego oscyloskopu elektronicznego: a)schemat blokowy; b) odczyt przesunięcia fazy na podstawie oscylogramu Pomiar fazy metodą krzywych Lissajous U x =U mx sin  t U y =U my sin(  t+  ) E F G H B A CDCD c) (5.18)(5.19)

Pytania: 1. Wymień metody analogowe pomiaru okresu i przesunięcia fazowego. 2. Wymień metody cyfrowe pomiaru okresu i przesunięcia fazowego. 3. Zasada pracy fazomierza cyfrowego z pomiarem czasu. 4. Zasada pracy fazomierza cyfrowego z uśrednianiem. 5. Pomiar okresu i przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym. 6. Pomiar okresu i przesunięcia fazowego - krzywe Lissajous. Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [3]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str , skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [4]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str , skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004,