Методика выполнения измерений на примере оптиметра горизонтального ИКГ-3

• Введение
• 1. Объекты измерения
• 2. Методы измерения
• 3. Средства измерения
• 4. Цифровые измерительные приборы
• Цифровые (электронно-счетные) частотомеры
• Резонансный способ измерения частоты
• Осциллограф и измерение частоты осциллографом
• Гетеродинный и генераторный способы измерения частоты
• Цифровой метод измерения частоты
• 5. Методика измерений
• Общие положения
• Разработка методик измерений
• Список использованных источников
• Приложения

Вопросами теории измерений, средствами обеспечения их единства и способов достижения необходимой точности занимается специальная наука — метрология. В задачу метрологии входит установление единиц измерения, определение способов передачи размера единицы от эталонов до измеряемого объекта через ряд промежуточных звеньев.

Измерение частоты определенных событий стало важным вопросом еще в 20-м веке. Актуальность этого вопроса не уменьшилась и по сей день. Исследование изменений событий и их частоты напрямую связано с экономикой, природными явлениями и исследовательской деятельностью.

Измерить частоту можно с помощью несложных вычислений или следую теоретическому закону изменения частот, но в этом случае вы не получите точный результат. Для более точных данных используются измерительные приборы, которые применяют для измерения частоты. На сегодняшний день вы сможете найти много видов таких приборов. Они рассчитаны на углубленное изучение частот и на более простое получения результата, есть выбор между дешевыми и дорогими приборами, можно выбрать между объемными приборами и установками, а можно подыскать более компактный вариант, который легко можно использовать в командировке или при отъезде.

измерение оптиметр метрология частота

1. Объекты измерения

Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f=n/t (1),

где t-время существования п колебаний.

Для гармонических колебаний частота f = 1/T, где Т - период колебаний. Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины диктуется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве? следующими соотношениями:

fT = 1 и fl = с, (2),

где с-скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.

Спектр частот электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона — низких и высоких частот. К низким частотам относят инфра звуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20 — 20 000 Гц) и ультразвуковые (20−200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц — 30 МГц), ультравысокие (30 — 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 80 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получения электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на расстояние. Однако четкой границы между отдельными участками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.

2. Методы измерения

Метод перезарядд конденсатора

Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источнику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем накопится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно присоединять к источнику напряжения для заряда и к измерителю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше:

fq = fCU = I (3),

где I — среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте переключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:

f=I/ (CU) (4),

Рисунок 1- Структурная схема конденсаторного частотомера

Структурная схема конденсаторного частотомера, в котором использован этот метод (рис. 1), состоит из усилителя-ограничителя УО и Зарядно-разрядного устройства ЗРУ с магнитоэлектрическим индикатором. Кроме того, имеется генератор Гк для калибровки частотомера на одной фиксированной частоте.

На вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рис. 2.

Рисунок 2 — Схема счетного устройства конденсаторного частотомера

Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он закрыт, один ii3 конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разряжается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов — число под-диапазонов.

Значение напряжения, до которого заряжается конденсатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устранения этого явления в зарядно-разрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Дз; напряжение питаниятакже стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2 Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц;

при более низких частотах подвижная часть магнитоэлектрического индикатора будет совершать механические колебания в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емкостью конденсатора С, но и монтажными емкостями элементов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 1−2%.

Резонансный метод

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного

Рисунок 3-Структурная схема измерения частоты резонансным методом

Рисунок 4 — Схема резонансного частотомера контура.

Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема его реализации приведена на рис. 3. Источник напряжения измеряемой частоты fx с помощью элемента связи ЭСв соединяется с прецизионным измерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой fx Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, присоединенного к контуру через второй элемент связи. Измеряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объединены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волномером.

Схема резонансного частотомера (рис.4) позволяет выявить источники погрешности измерения. Погрешность градуировки определяется качеством механизма настройки;

ее можно уменьшить путем предварительной градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Нестабильность частоты измерительного контура возникает вследствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:

(5),

где Df — отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на DT, К; a - линейный температурный коэффициент расширения материала контура; k - конструктивный коэффициент.

Нестабильность настройки контура возникает также при изменении вносимых реактивных сопротивлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вносимые сопротивления уменьшают добротность контура.

Рисунок 5-Резонансная кривая колебательного контура

Уменьшение влияния вносимых сопротивлений достигается ослаблением связи с источником fx и индикатором.

Неточность фиксации резонанса определяется значением добротности контура Q нагруженного измерительного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (рис.5) можно получить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:

(6),

Измерительный контур резонансного частотомера в зависимости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены цифровыми частотомерами, а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном измерения частот, погрешностью и чувствительностью, т. е. минимальной мощностью, поглощаемой от источника измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

Резонансные частотомеры с распределенными параметрами. Колебательный контур частотомера выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора. Настройка коаксиальной линии производится изменением ее длины, объемного резонатора — изменением его объема.

Частотомеры с распределенными параметрами связывают с источниками измеряемой частоты через штыревую или рупорную антенну или через элементы связи в виде

Рисунок 6 — Четвертьволновый резонансный частотомер

Рисунок 7 — Резонансный частотомер с нагруженной линией петель; зондов, щелей и круглых отверстий.

На входе частотомера часто включают аттенюаторы с переменным ослаблением для регулировки входной мощности. Иногда применяют направленные ответвители.

Индикатор частотомера состоит из полупроводникового (германиевого или кремниевого) диода и магнитоэлектрического микроамперметра большой чувствительности. Связь диода с измерительным контуром осуществляется через петлю связи, располагаемую внутри коаксиальной линии или объемного резонатора. Если частотомер предназначен для использования при импульсной модуляции, то видеоимпульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осциллограф.

Коаксиальные частотомеры выполняют в основном двух типов: четвертьволновые и с нагруженной линией.

Четвертьволновый резонансный частотомер представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии (рис.6). Настройка его осуществляется с помощью микрометрического механизма со шкалой, градуированной в единицах длины l. Резонанс, в линии наступает при l, равной нечетному числу четвертей длины волны.

(7)

где п = 0, 1, 2.

Отсчеты l1 и l2 соответствуют l/4 и 3l/4, поэтому их разность равна половине длины волны. В общем случае

(8),

Четвертьволновые частотомеры применяются начастотах 600 МГц-10 ГГц. Погрешность измерениялежит в пределах 10−3-5*10−4.

Резонансный частотомер с нагруженной линией отличается от четвертьволнового тем, что разомкнутая коаксиальная линия нагружается емкостью С, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников (рис.7). Резонанс в нагруженной линии наступает при выполнении условия

(9),

где D — внутренний диаметр внешнего проводника; d - внешний диаметр внутреннего проводника: с — волновое сопротивление линии.

При настройке такого частотомера одновременно изменяются и длина линии l, и емкость С. Перекрытие, по сравнению с четвертьволновым частотомером, возрастает в 2 — 3 раза. Двумя частотомерами с нагруженной линией перекрывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют с помощью градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения 5−10~3.

Резонансный частотомер с объемным резонатором настраивается передвижением подвижного поршня (плунжера). Возбуждаемые внутри полости резонатора стоячие волны бывают различных типов. Это зависит от способа введения возбуждающего электромагнитного поля. При возбуждении цилиндрического резонатора через отверстие в центре торцевой стенки (рис. 8, а) возникают колебания типа H111. Из электродинамики известно, что собственная длина волны, в резонаторе связана с его диаметром а и высотой I следующей зависимостью:

(L/l) 2 + l, 37 (l/d) 2 = (2/л111) 2 (10),

Если положить l= d, то л111 =1,3 d.

При возбуждении полости резонатора через отверстие в ее боковой стенке возникают колебания типа H011 (рис. 8, б). Поле этих волн характерно отсутствием токов проводимости между торцевой и цилиндрической стенками резонатора, что позволяет применить для настройки бесконтактный плунжер. Проникающая при этом в нерабочее пространство за поршнем энергия поглощается предусмотренным

Рисунок 8 — Схемы частотомеров с объемными резонаторами

для этой цели покрытием, нанесенным на левую (рис. 8, б) поверхность плунжера. Зависимость собственной длины волны типа л011 от размеров резонатора определяется выражением

(l/l) 2 + 5,94 (l/d) 2= (2/ л011) 2 (11),

Если для этого резонатора также положить l= d, то л011 " 0,76d.

Шкала настройки частотомеров с объемными резонаторами градуируется с помощью измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Следовательно, главным источником погрешности градуировки является погрешность установки частоты по шкале генератора. Чтобы не усугублять погрешность измерения неточностью настройки в резонанс, добротность объемного резонатора доводят до очень высокого значения. Это достигается полировкой и золочением внутренней поверхности резонатора; при этом добротность достигает 10 000−30 000. Все же погрешность составляет 10−3-10−4. К недостаткам частотомеров с объемными резонаторами относится малое перекрытие, что приводит к необходимости иметь большое их число для измерения нужного диапазона частот.

Частотомеры с распределенными параметрами по способу включения в измеряемую цепь разделяют на проходные и поглощающие. Проходной частотомер снабжен двумя элементами связи — входным для связи с электромагнитным полем и выходным для связи с индикатором. Момент настройки в резонанс определяют по максимальному показанию индикатора (рис. 9, а).

Поглощающий частотомер имеет один элемент связи — входной, а индикатор включают в линию передачи (рис. 9, б). Пока частотомер не настроен в резонанс, показания индикатора максимальны;

при настройке часть энергии поглощается в резонаторе и показания индикатора уменьшаются.

Рисунок 9 — Проходной (а) и поглощающий (б) частотомеры

Метод сравнения

Метод сравнения для измерения частоты получил широкое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты f_x. методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот f_обр индикатор равенства или кратности f_x. и f_обр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью 10⁹-10¹¹ за 1 сут.

Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.

Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный преобразователь частоты;

Рисунок 10 — К определению кратности частот

в соответствии с этим метод сравнения для измерения частоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.

3. Средства измерения

Измерение частоты составляет одну из важных задач измерительной техники. В современной радиоэлектронике, автоматике и других близких к ним областях науки и техники используются сигналы разнообразных частот — от инфра низких до сверхвысоких

Для измерения частоты используют методы непосредственней оценки и сравнения частот. К приборам непосредственной оценки относятся: электромеханические частотомеры с логометрическим механизмом, конденсаторные частотомеры, резонансные частотомеры и электронно-счетные частотомеры. К приборам сравнения частот относятся: компараторы частоты, гетеродинные частотомеры, осциллографические частотомеры. Наиболее известными методами являются резонансный, гетеродинный, заряда и разряда конденсатора, сравнения при помощи осциллографа и др. Рассмотрим некоторые из этих приборов.

Измерение временных интервалов.

Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы. Метод основан на измерении линейных размеров периода изображения по оси Х непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемое время tx определяется как

tx =KplMp. (12),

Кp — коэффициент развертки,

Мр — масштаб развертки по оси Х,

l — длина периода изображения на экране ЭЛТ.

Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток. Метод основан на создании в кривой исследуемого сигнала яркостных меток образцовой частоты. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ (вход Z) сигнала с измерительного генератора.

Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии шкалы). Отсчет производится по регулировочной шкале «задержка».

4. Цифровые измерительные приборы

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры

Цифровые частотомеры применяются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в частотном диапазоне до 50 ГГц.

Принцип действия большинства цифровых частотомеров основан на подсчете числа импульсов N, соответствующих числу периодов измеряемого сигнала с неизвестной частотой fx за нормируемый интервал времени Ти (Ти — время измерения). В этом случае неизвестная частота определяется как:

. (13),

Рисунок 11-Типовая структурная схема электронно-счетного частотомера

Рисунок 12-диаграмма, поясняющая работу частотомера.

Входное устройство предназначено для согласования схемы частотомера с источником входного сигнала. Входное устройство состоит из широкополосного усилителя и аттенюатора.

Формирователь предназначен для преобразования исследуемого напряжения в последовательность импульсов fx с большой крутизной фронтов.

Временной селектор представляет собой электронный ключ, который открывается строб — импульсом Ти, вырабатываемым устройством управления. Делитель предназначен для деления частоты генератора (обычно 1 мГц) декадными ступенями до 0.01Гц. Т. е.100, 10, 1 Кгц, 100, 10, 1, 0.1 и 0.01 Гц. Счетчик подсчитывает число импульсов fx2 за период времени Ти.

Таким образом, если период времени Ти известен с высокой точностью, то число импульсов, которое уложилось в этот период будет пропорционально частоте измеряемого сигнала. При этом погрешность может составлять ±1 импульс (±1 период). Из этого следует, что погрешность частотомера зависит от выбранного времени измерения Ти и определяется как:

(14),

Величина — называется погрешностью дискредитации.

— погрешность нестабильности частоты кварцевого генератора (на практике пренебрежимо малая величина).

Погрешность дискредитации обусловлена, в основном, несоответствием моментов появления счетных импульсов N относительно фронтов строб — импульса Ти.

Рассмотрим пример определения погрешности частотомера.

Пусть выбран интервал измерения Ти=1 сек. Определить погрешность измерения частоты при измерении сигнала с ориентировочной частотой: 1 — 10 МГц и 2 — 10 Гц.

Расчет проводится по формуле:

. (15),

В первом случае погрешность равна =2*10−5%, во втором случае =10%.

На практике применяют и другие методы и способы измерения частоты, не относящиеся к разделу цифровой техники. Рассмотрим это методы.

Резонансный способ измерения частоты

Данные частотомеры представляют собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с источником измеряемой частоты. Частоту определяют по калиброванной шкале прибора.

Рисунок 13 — Структурная схема резонансного частотомера

Рисунок 14 — Упрощенная схема резонансного частотомера

Если поднести измерительную катушку к источнику электромагнитного поля с измеряемой частотой, например к колебательному контуру радиоэлектронной аппаратуры, и емкостью С настроить колебательный контур в резонанс с измеряемой частотой, то стрелочный индикатор отклонится на максимум. По калиброванной шкале переменного конденсатора определяется частота источника. Точность таких систем невысока, однако у них имеется преимущество, — они могут измерять частоту бесконтактным способом.

Осциллограф и измерение частоты осциллографом

Для измерения частоты используют осциллограф. Осциллограф — это прибор, который предназначен для исследования и наблюдения электрических сигналов во временной области, которую определяет период, путём визуального наблюдения графических сигналов на экране прибора, либо записанного результата на фотоленте, и также для измерения амплитудных и временных параметрических сигналов по форме графика. Сегодня осциллографы дают возможность разворачивать сигнал многогерцовых частот.

В виде графиков отображаются колебания частот. Это могут быть линии или точки, в зависимости от выбранных параметров графика. Частоты отображаются в зависимости от их изменения во времени. Иногда еще при влиянии внешних факторов, например, повышении сопротивления или изменения напряжения.

Универсальными осциллографами называются осциллографы, которые построены по функциональной схеме.

У запоминающих осциллографов есть трубка для накопления заряда. Они сохранят изображение сигнала на долгое время и поэтому они удобны для исследования и наблюдения однократных и нечасто дублирующихся сигналов. Быстрота записи запоминающих осциллографов может достигнуть нескольких тысяч километров в секунду. Время воспроизведения записанного графического изображения для различных моделей лежит в промежутке от 1 до 30 минут. Запоминающие осциллографы, как принято считать, обладают характеристикой сохранять изображение при завершении работы осциллографа и последующей его активации через двое или больше суток, функциональная схема запоминающих осциллографов отличается дополнительной частью — блоком, который управляет режимом работы запоминающей трубки (запись, воспроизведение изображения и его удаление).

В стробоскопическом осциллографе используется понятие поочередного стробирования сиюминутных значений сигнала для преобразования (сжатия) его спектрального значения; при каждом дублировании сигнала определяется (отбирается) сиюминутное значение сигнала в одной временной точке. К приходу нового сигнала точка отбора перемещается по сигналу. Измененный сигнал, представляющий собой огибающую мгновенных значений входного сигнала, повторяет его форму. Протяженность преобразованного сигнала в несколько раз превышает длительность исследуемого, и, следовательно, имеет место сжатие спектрального значения, что равно соответствующему расширению полосы пропускания осциллографа. Скоростные осциллографы используют трубки с вертикально отклоняющей системой типа «бегущей волны». Они описывается широким распространением полос и огромной скоростью записи результатов. У скоростных осциллографов нет усилителя в тракте вертикального отклонения и, позволяют исследовать и наблюдать не только периодические, но и однократные сигналы, которые быстро протекают. Особенные осциллографы работают как приборы для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов.

Шлейфовый осциллограф работает следующим образом. Световая оптическая система формирует луч света, фокусирует его и отправляет на зеркало шлейфа. Отразившись от зеркальной перегородки, световой луч попадает на светочувствительную плёнку и там остается след в виде кривой, которая отображает изменение величины, которую исследуют во времени. Развёртывание кривой во временном промежутке обеспечивается равным переходом носителя записи в направлении, которое перпендикулярно (находится под углом в 90 градусов) отклонению луча света.

Таким образом, видно, что осциллограф замеряют не только временные, но и амплитудные показатели. Амплитудные показатели показывают колебания между высшим и низшим максимумами. За один период показатель проходит путь во времени от начальной точки и до такой же точки по амплитуде через период. Такие колебания свойственны для равномерных или периодических колебаний, где период и частота неизменны. Но приборы и нужны для тех случаев, когда амплитуда, период и частота постоянно меняются. Приборы измерения частоты нужны, чтобы держать под контролем колебания и систему, в которой данные колебания происходят.

Немалую роль играют функции, которые доступны в измерительном приборе. Допустим, прибор с функцией воспроизведения колебаний позволит вам много раз просматривать колебания, их частоты и амплитуды, что позволит сделать более точные выводы о работе системы. Также компактность важна для исследовательской и наблюдательской деятельности. Важно, чтобы все было под рукой и вам не надо было бы разрываться посреди множества кнопок и регуляторов. Сегодня в продаже имеются модные и компактные измерительные приборы, которые выступают в роли компактного компьютера. Они обладают свойством не только отслеживать частоты и колебания, но могут показать такие тривиальные вещи, как время, температуру и предоставить электронный блокнот для записей. Таким образом, для лучшего контроля, сбора и получения, данных вам, как исследователю, инженеру или наблюдателю могут понадобиться измерительные приборы.

Гетеродинный и генераторный способы измерения частоты

Гетеродинный способ применяется для измерения низких и высоких частот путем сравнения частоты исследуемого сигнала с частотой маломощного генератора перестраиваемой частоты. Структурная схема такого прибора и диаграмма, поясняющая принцип его действия показаны на рисунке 14

Цифровой метод измерения частоты

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т. е. на счете числа импульсов за интервал времени. Данные приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты 10−6.10−9).

Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то в зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов и интервала, заданного временным положением двух импульсов). Принцип измерения

частоты гармонического сигнала цифровым методом поясняет рис. 15, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

Исследуемый гармонический сигнал частоты fx подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера (рис.15). Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал U1 поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов U2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счётными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

Счётные импульсы U2 поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс U3 прямоугольной формы и калиброванной длительности T0 > Tx. Интервал времени T0 называют временем счета.

Временной селектор открывается строб-импульсом U3, и в течение его длительности пропускает группу (пакет) из Nx импульсов U2 на вход счетчика (СЧ). В результате с временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов U4. Первый счетный импульс, попавший во временные ворота T0 строб-импульса, опережает его передний фронт на время іtн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал іtk. Из 22 следует, что

T0 = Nx Tx — іtн + іtk = Nx Tx — іtд (16),

где

іtн и іtk — абсолютные погрешности дискретизации начала и конца интервала T0, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов и2; іtд=іtн-іtk-общая абсолютная погрешность дискретизации.

Рисунок 15 — устройство УФУ

Пренебрегая в формуле (16) погрешностью іtд, получаем, что число импульсов в пакете Nx = T0/Tx = T0fx и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

fx= Nx / T0 (17),

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T0 (на рисунке 15 для упрощения не показаны) от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты fкв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления Кд (каждая декада уменьшает частоту fкв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т. е. T0 = Кд / fкв. Поэтому выражение (10.5) удобнее представить в виде

fx = Nx fкв / Кд (18),

Отношение fкв / Кд можно дискретно изменять вариацией Кд, т. е. за счет изменения числа декад декадного делителя частоты.

Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение fкв/Кд выбирается равным 10n Гц, где п — целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx, соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Например, если за счет изменения Кд выбран коэффициент п = 6, то число Nx, отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте fx, выраженной в МГц. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоты fx этим методом имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора fкв.

Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты fкв за сутки обычно не выше

дкв= 5.10 — 9. (19),

Погрешность измерения за счет неточности установки номинального значения частоты fкв уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью перевозимых квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превосходит (1.5) 10 — 10.

Очень часто требуемая стабильность частоты обеспечивается введением в схему кварцевого генератора системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ). Случайная составляющая погрешности измерения определяется погрешностью дискретизации

іtд = іtн — іtk. (20),

Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса и счетных импульсов отсутствует, погрешности іtн и іtk, определяющие на рис. 22 положение начала и конца строб-импульса между соседними двумя счетными импульсами, могут принимать во времени с одинаковой вероятностью значения от нуля до Т0. Поэтому погрешности іtн и іtk являются случайными и распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации іtд распределена по треугольному закону с предельными значениями ± Т0.

Максимальную погрешность дискретизации начала и конца интервала времени счета Т0, т. е. іtд = ± Т0, удобно учитывать через эквивалентное случайное изменение числа счетных импудьсов Nx на ± 1 импульс. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью значений частоты fx, получаемой по формулам (10.4) или (10.5) при Nx ± 1; в этом случае іfx = ± 1/Т0. Соответствующая максимальная относительная погрешностьсть измерения:

д = іfx/ fx = ±1/ Nx =± 1/ (Т0 fx). (21),

Суммарная относительная погрешность измерения частоты цифрового частотомера нормируется в процентах и определяется величиной

дx = ±v (22),

Отсюда следует, что суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты fx. При достаточно малой частоте fx она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета Т0, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период Тх = 1/ fx, а затем вычислить искомую частоту fx

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат измерения частоты fx можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку.

Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху — конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты. Верхний предел измерения частоты достигает 500 МГц, и его расширяют способом гетеродинного преобразования (переноса) измеряемой частоты в область более низких частот. Один из способов такого преобразования рассмотрен в предыдущем разделе.

Необходимо отметить, что в структурную и принципиальную схемы цифрового частотомера обязательно включают схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) и подавления внешних помех. При малом уровне входного сигнала (ниже милливольта) измерения прекращаются и показания счетчика сбрасываются на нуль. В устройстве предусмотрены также меры защиты от перегрузок.

В современных цифровых частотомерах широко применяются кварцевые синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот, надежности и удобству включения в автоматизированные измерительные системы.

5. Методика измерений

Методика (метод) измерений — совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Аттестация методик измерений — исследование и подтверждение соответствия методик измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям.

Метрологическая экспертиза методик измерений — анализ и оценка выбора методов и средств измерений, операций и правил проведения измерений, а также обработки их результатов в целях установления соответствия методики измерений предъявленным к ней метрологическим требованиям.

Показатель точности измерений — установленная характеристика точности любого результата измерений, полученного при соблюдении требований и правил данной методики измерений. В качестве показателя точности методики измерений могут быть использованы характеристики погрешности измерений, показатели неопределенности измерений, показатели точности по ГОСТ Р ИСО 5721−1.

Арбитражная методика измерений — методика измерений, применяемая при возникновении разногласий относительно результатов измерений, полученных с использованием нескольких аттестованных методик измерений одной и той же величины в одних и тех же условиях, установленная компетентным федеральным органом исполнительной власти или соглашением заинтересованных сторон.

Общие положения

1. Методики измерений разрабатывают и применяют с целью обеспечить выполнение измерений с требуемой точностью.

2. Методики измерений в зависимости от сложности и области применения излагают:

в отдельном документе (нормативном правовом документе, документе в области стандартизации, инструкции и т. п.);

в разделе или части документа (разделе документа в области стандартизации, технических условий, конструкторского или технологического документа и т. п.).

3. Документы, предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений и содержащие методики измерений (стандарты, технические условия, конструкторские, технологические документы и т. п.), должны включать в себя сведения об аттестации методик измерений, а также сведения о наличии их в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений.

Методики, включенные в проекты нормативных правовых актов и документов в области стандартизации, подлежат обязательной метрологической экспертизе, которую проводят государственные научные метрологические институты.

4. Аттестация методик измерений, применяемых вне сферы государственного регулирования обеспечения единства измерений, может быть проведена в добровольном порядке в соответствии с настоящим стандартом.

Разработка методик измерений

1 Разработку методик измерений осуществляют на основе исходных данных, которые могут быть приведены в техническом задании, технических условиях и других документах.

2. К исходным данным относится следующее:

область применения (объект измерений, в том числе наименование продукции и контролируемых параметров, а также область использования — для одного предприятия, для сети лабораторий и т. п.);

если методика измерений может быть использована для оценки соответствия требованиям, установленным техническим регламентом, то в документе на методику измерений указывают наименование технического регламента, номер пункта, устанавливающего требования (при необходимости и наименование национального стандарта или свода правил), а также указывают, войдет ли документ, в котором изложена методика измерений, в перечень национальных стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений [либо в состав правил и методов исследований (испытаний) и измерений], в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения технического регламента и осуществления оценки соответствия;

наименование измеряемой величины в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации;

требования к показателям точности измерений; - требования к условиям выполнения измерений;

характеристики объекта измерений, если они могут влиять на точность измерений (выходное сопротивление, жесткость в месте контакта с датчиком, состав пробы и т. п.);

при необходимости другие требования к методике измерений.

3. Требования к точности измерений приводят путем задания показателей точности и ссылки на документы, в которых эти значения установлены.

При описании требований к выражению погрешности и неопределенности измерений, выполненных с использованием теории шкал, применяют положения рекомендаций с учетом особенностей конкретных шкал измерений.

4. Методики измерений должны обеспечивать требуемую точность оценки показателей, подлежащих допусковому контролю, с учетом допусков на эти показатели, установленных в документах по стандартизации или других нормативных документах, а также допустимых характеристик достоверности контроля и характера распределения контролируемых показателей.

5. Условия измерений задают в виде номинальных значений с допускаемыми отклонениями и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин. При необходимости указывают предельные скорости изменений или другие характеристики влияющих величин, а также ограничения на продолжительность измерений, число параллельных определений и т. п. данные.

6. Если измерения предполагают выполнять с использованием измерительных систем, для которых средства измерений, входящие в состав измерительных каналов, пространственно удалены друг от друга, то условия измерений указывают для мест расположения всех средств измерений, входящих в измерительную систему.

7. Разработка методик измерений, как правило, включает в себя следующее:

формулирование измерительной задачи и описание измеряемой величины; предварительный отбор возможных методов решения измерительной задачи;

выбор метода и средств измерений (в том числе стандартных образцов), вспомогательных устройств, материалов и реактивов;

установление последовательности и содержания операций при подготовке и выполнении измерений, включая требования по обеспечению безопасности труда и экологической безопасности и требования к квалификации операторов;

организацию и проведение теоретических и экспериментальных исследований по оценке показателей точности разработанной методики измерений; экспериментальное опробование методик измерений; анализ соответствия показателей точности исходным требованиям;

обработку промежуточных результатов измерений и вычисление окончательных результатов, полученных с помощью данной методики измерений;

разработку процедур и установление нормативов контроля точности получаемых результатов измерений;

разработку проекта документа на методику измерений;

аттестацию методик измерений;

утверждение и регистрацию документа на методику измерений, оформление свидетельства об аттестации;

передачу сведений об аттестованных методиках измерений в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

8. Методы и средства измерений выбирают в соответствии с документами, относящимися к выбору методов и средств измерений данного вида, а при отсутствии таких документов — в соответствии с общими рекомендациями.

Если методика измерений предназначена для использования в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, то средства измерений, стандартные образцы, испытательное оборудование должны быть метрологически обеспечены в системе измерений Российской Федерации.

Требования к точности измерений устанавливают с учетом всех составляющих погрешности (методической, инструментальной, вносимой оператором, возникающей при отборе и приготовлении пробы).

Если полученное значение погрешности измерений выходит за заданные пределы, то погрешность измерений может быть уменьшена в соответствии с рекомендациями.

Показатели точности измерений должны соответствовать исходным данным на разработку методики измерений. При оценивании характеристик по

грешности следует руководствоваться рекомендациями [5], [14], [15], неопределенности — рекомендациями и руководством [7], приписанных характеристик для измерений состава и свойств веществ и материалов — ГОСТ Р ИСО 5725−1 — ГОСТ Р ИСО 5725−6.

Планирование экспериментов по оценке характеристик погрешности методик измерений состава и свойств веществ и материалов и выбор способов экспериментальной оценки этих характеристик проводят в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725−1 — ГОСТ Р ИСО 5725−6, неопределенности — в соответствии с руководством.

9. В документе, регламентирующем методику измерений, указывают:

наименование методики измерений;

назначение методики измерений;

область применения;

условия выполнения измерений;

метод (методы) измерений;

допускаемую и (или) приписанную неопределенность измерений или норму погрешности и (или) приписанные характеристики погрешности измерений;

применяемые средства измерений, стандартные образцы, их метрологические характеристики и сведения об утверждении их типов.

В случае использования аттестованных смесей по рекомендациям, документ на методику измерений должен содержать методики их приготовления, требования к вспомогательным устройствам, материалам и реактивам (приводят их технические характеристики и обозначение документов, в соответствии с которыми их выпускают);

операции при подготовке к выполнению измерений, в том числе по отбору проб;

операции при выполнении измерений;

операции обработки результатов измерений;

требования к оформлению результатов измерений;

процедуры и периодичность контроля точности получаемых результатов измерений;

требования к квалификации операторов;

требования к обеспечению безопасности выполняемых работ;

требования к обеспечению экологической безопасности;

другие требования и операции (при необходимости).

Примечания

1 В документах на методики измерений, в которых предусмотрено использование конкретных экземпляров средств измерений и других технических средств, дополнительно указывают заводские (инвентарные и т. п.) номера экземпляров средств измерений и других технических средств.

2 В документе на методики измерений могут быть даны ссылки на официально опубликованные документы, содержащие требования или сведения, необходимые для реализации методики.

Список использованных источников

1. Бойко С. В., Воробьев А. Л., Колчина И. В. Б 77 Разработка и аттестация методик выполнения измерений: Методические указания. — Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. — 77с.

2. Седалищев В. Н. Методы и средства измерений электрических величин: Учеб. пособие; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. — …с.

Приложения

Приложение А

Проект разработки документа на МИ

Вводная часть

Настоящее описание МИ устанавливает методику выполнения измерений измерения временных интервалов на осциллографе С1−72.

1 Нормы точности измерений Реализация данной методики выполнения измерения обеспечивает выполнение с максимально допустимыми погрешностями не превышающими ±10% 0,05 µs — 5 мс и ±20% 10 мс — 50 мс

2 Средства измерений, вспомогательные устройства, материалы, растворы.

2.1 При выполнении измерений применяют следующие средства в таблице 1:

Таблица 1

3. Метод измерений Метод сравнения с мерой — метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с мерой. Эти методы подразделяют на дифференциальные, нулевые, противопоставления, замещения и совпадений.

Дифференциальный метод (разностный) — это метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, незначительно отличающейся от измеряемой. Нулевой метод измерения отличается от дифференциального метода тем, что разность величин доводят до нуля. В методе измерения замещением измеряемую величину замещают мерой с известным значением физической величины. Метод совпадений основан на совпадении отметок или периодических сигналов с образцовыми сигналами.

4 Требования безопасности окружающей среды

4.1 При выполнении измерений соблюдают следующие требования: к работе с приборами допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности с электрическими приборами; корпус приборов должен быть заземлен;

5 Требования к квалификации операторов

5.1 К выполнению измерений и обработке их результатов допускают лиц, имеющих среднетехническое образование (техник-технолог), а также имеющих неполное высшее образование.

6 Условия измерений При выполнении измерений соблюдают следующие условия:

напряжение сети 220 В ± 10%;

температура окружающего воздуха от минус 10 до плюс 40є С;

относительная влажность воздуха до 90% при температуре плюс 25%;

атмосферное давление 750 ± 30 мм. рт. ст.

7 Подготовка к выполнению измерений

7.1 Перед включением прибора в сеть предварительно установите органы управления в следующие положения:

Ручки: «» Ш" «- регулировка яркости луча, ««??» «- регулировка фокусировки луча, «в «- перемещение луча по вертикали, «- «- перемещение луча по горизонтали, «уровень», — в среднее положение; «СТАБИЛЬНОСТЬ» — в крайнее правое положение; Переключатель «V/Дел.» — в положение «10»; Переключатель полярности синхронизации — в положение ««; Переключатель синхронизации — в положение ««; Переключатель «ВХОД Х» выключен.

Проверьте положение предохранителя на соответствие величине напряжения питающей сети и положение тумблера «~» / «-"виду питающей сети.

Шнур питания прибора соедините с источником напряжения, нажатием кнопки переключателя «СЕТЬ» включите прибор. При этом должна загореться сигнальная лампочка. Через 2−3 минуты после включения прибора следует отрегулировать яркость и фокусировку линии развертки с помощью ручек ««, «» .

Если при максимальной яркости на экране не будет луча, необходимо при помощи ручек «в», «- «переместить его в пределы рабочей части экрана.

После 10−15 минут прогрева осциллографа необходимо произвести балансировку усилителя вертикального отклонения (в процессе эксплуатации сохранность балансировки периодически проверяется и подстраивается).

Сущность балансировки заключается в том, чтобы луч на экране не перемещался при переключении переключателя «V/Дел».

Для этого, не подавая сигнал на вход усилителя, ручкой «в «линию развертки переместите в среднее положение рабочей части экрана ЭЛТ и потенциометром «БАЛАНС», выведенном на левую боковую стенку, добейтесь независимости положения линии развертки от положения переключателя «V/Дел. «Ручку переключателя «V/Дел.» Установите в положение КАЛИБР, при этом на экране должно появится изображение калибрационного напряжения.

Ручку переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» Установите в положение 1ёs.

С помощью потенциометра «КОРР. УСИЛ. «установите по шкале прибора амплитуду изображения калибрационного напряжения, равную 6 делениям по вертикали. Затем следует проверить калибровку коэффициента развертки. Для этого переключатель

" ВРЕМЯ/ДЕЛ" установите в положение 1ms и ручками «СТАБИЛЬНОСТЬ» и «УРОВЕНЬ» добейтесь устойчивого изображения 10 периодов напряжения калибратора. Калибровка производится потенциометром «КОРР. РАЗВ. «После этого прибор готов к работе и можно приступить к выбору режима работы и проведению необходимых измерений.

До включения калибратора произведите следующие операции:

соедините клемму «» с шиной защитного заземления; проверьте правильность установки переключателя номинальных напряжений сети;

убедитесь в наличии сетевого предохранителя;

подключите сетевой соединительный шнур к розетке «СЕТЬ» калибратора;

подключите вилку сетевого соединительного шнура к розетке питания.

включите тумблер «СЕТЬ».

8 Выполнение измерений

8.1 При выполнении измерений частоты методом прямого измерения временных интервалов выполняют следующие операции после подготовки осциллографа к работе:

— Подключение входного сигнала:

Подать сигнал на «вход Y» с помощью кабеля. При этом нужно иметь в виду, что один из выводов кабеля подключен к корпусу осциллографа и заземлен. Он обычно имеет черный цвет и обозначен символом «ЎН». При правильном подключении должно появиться изображение либо должна увеличиться ширина луча. Если размах изображения по вертикали составляет менее 2 или более 6 делений, необходимо подобрать положение переключателя «Вольт / деление» .

— Выбор способа синхронизации осциллографа:

Чаще всего используется «внутренняя» синхронизация, которая включается кнопкой. При этом схема синхронизации запускается от сигнала, поданного на «Вход Y». Кнопкой «??» включают режим «внешней» синхронизации. При этом схема синхронизации запускается специальным сигналом, который нужно подать на «вход Х». Этот способ синхронизации используется, когда наблюдаемый сигнал имеет сложную форму и режим «внутренней» синхронизации нестабилен. Кнопкой «От сети» включают режим запуска развертки от сетевого напряжения. Он используется для наблюдения пульсаций питающих напряжений. Кнопкой «П» выбирают полярность синхроимпульсов. Если нажать кнопку «Вход Х», включается режим принудительной развертки от входа синхронизации. При этом положение луча по горизонтали пропорционально напряжению, поданному на вход синхронизации. Такой режим работы называется режимом синусоидальной развертки. Он используется для измерения разности фаз двух гармонических сигналов, а также в качестве индикатора равенства или кратности их частот.

— Настройка схемы синхронизации:

Если на экране имеется несколько изображений или сплошная полоса, необходимо добиться синхронизации развертки. Установите ручку «Уровень» в среднее положение, а ручку «Стабильность» — в левое положение. При этом луч должен погаснуть. Медленно вращайте ручку «Стабильность» вправо до появления луча. После этого подберите положение ручки «Уровень». Если после такой настройки изображение сохраняет вид светящейся полосы, подберите положение ручки «Время / на деление»: возможно, что частота развертки во много раз отличается от частоты сигнала.

— Настройка параметров изображения:

Если луч формирует размытое изображение, настройте фокусировку луча ручкой «А~». Установите также удобную яркость ручкой «Ш». Ручками «-» и «b» переместите осциллограмму в нужное место на экране. Обычно начало развертки помещают на первую слева вертикальную линию шкалы. По вертикали изображение обычно размещают по центру.

— Измерение амплитуды сигнала:

Чтобы оценить амплитуду, необходимо определить количество делений, занимаемых сигналом по вертикали, и умножить результат на цену деления, которая задана переключателем «Вольт / деление». Если изображение занимает менее двух или более шести делений, нужно подобрать положение этого переключателя, иначе погрешности измерения возрастают. При измерении амплитуды гармонического сигнала обычно оценивают его размах от минимального до максимального значения (удвоенное значение амплитуды), а затем делят результат на 2.

— Измерение временных интервалов:

Чтобы оценить период повторения сигнала, нужно определить количество делений по горизонтали в одном периоде сигнала. Результат следует умножить на цену деления, которая задана переключателем «Время / деление». Если период занимает менее 4 делений или не умещается на экране, необходимо подобрать положение переключателя «Время/деление» .

9 Обработка (вычисление) результатов измерений

9.1 Погрешность измерения временных параметров (ДT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

(1), где

Tоп — погрешность установки частоты опорного генератора;

Fд — частота дискретизации;

Tдж — собственный джиттер осциллографа.

10 Контроль точности результатов измерений

10.1 Прибор должен быть поверен согласно графику поверки.

Относительную погрешность осциллографа дА в процентах определяют по формуле: погрешности измерений по формуле (2*) и (2**): погрешность по техническим данным:

% (2*),

в диапазоне частот свыше 200 Гц до 20 кГц (II и IV диапазоны).

% (2**),

в диапазоне частот свыше 20 до 200 Гц (I диапазон).

погрешности и — по формуле (3) и (4):

(3), (4),

11 Оформление результатов измерений

11.1 Результаты испытаний оформляют протоколом.