Для измерения коэффициента гармоник используются измерители нелинейных искажений (ИНИ).
Основными характеристиками ИНИ являются: предел измерения КНИ; диапазон частот входного сигнала; ослабление основной гармоники; погрешность измерения КНИ; остаточное искажение, обусловленное нелинейными искажениями и шумами прибора.
На рис. представлена структурная схема ИНИ.
Рис. 1
При установке переключателя SA в положение 1 входной сигнал UВХ через входное устройство (ВУ), состоящее из аттенюатора (Ат1) и усилителя (У1), подается через выходное устройство (ВыхУ), состоящее из аттенюатора (Ат2) и согласующего усилителя (У2), на вольтметр (В) среднеквадратических (действующих) значений. В первом положении переключателя вольтметр покажет значение
| (5.26) |
где К1 – коэффициент передачи входного устройства.
Затем переключатель SA устанавливается в положение 2 и входной сигнал подается на заграждающий фильтр (ЗФ), который настроен на частоту первой гармоники UВХ(t). Заграждающий фильтр подавляет первую гармонику, и показания вольтметра будут пропорциональны напряжению высших гармоник
| (5.27) |
где К2 – коэффициент передачи выходного устройства.
Коэффициент нелинейных искажений
| (5.28) |
Шкалу вольтметра можно отградуировать в единицах измеряемого значения. Для калибровки ИНИ в положении 1 переключателя SA показания вольтметра устанавливаются на некоторую условную отметку шкалы (изменяя К1). Тогда в режиме измерения (переключатель SA в положении 2) показания вольтметра будут пропорциональны КНИ. Изменением К2 можно изменять пределы измерения ИНИ.
Основными источниками погрешности измерения коэффициента нелинейных искажений являются: погрешность вольтметра; неточность настройки заграждающего фильтра и компенсации ослабления высших гармоник.
В современных ИНИ измерение производится автоматически. Это может быть достигнуто использованием управляемых заграждающих фильтров, параметры которых изменяются в соответствии с управляющим сигналом.
Рис. 2
Примером ИНИ является анализатор С6-11, который имеет следующие данные: диапазон частот при измерении коэффициента гармоник – 20 Гц...200 кГц, при измерении напряжения – 20 Гц – 1 МГц; погрешность измерения ±0,05 кГц в диапазоне частот 20 Гц...20 кГц, + 0,1 кГц в диапазоне 20–200 кГц; остаточное искажение – 0,05 % в диапазоне частот 20 Гц... 200 Гц, 0,02 % в диапазоне 200 Гц...20 кГц, 0,1 % в диапазоне 20 кГц... 200 кГц. Отличительной особенностью прибора является применение двухкаскадного автоматического режекторного фильтра, управляемого цифровым кодом с помощью реле, связанных с матрицами проводимостей и емкостей селективных цепей. Управляющий цифровой код вырабатывается электронно-счетным частотомером и блоком автоматики.
Кроме рассмотренного способа КНИможно измерять с помощью анализатора спектра. В этом случае измеряют действующие значения всех гармоник и затем рассчитывают коэффициент нелинейных искажений.
Измеритель коэффициента гармоник СК6-220 по принципу действия и основным метрологическим характеристикам аналогичен калибратору-измерителю нелинейных искажений СК6-20, измеритель СК6-220 управляется встроенным процессором и не нуждается, как СК6-20, во внешнем компьютере; динамический диапазон измерителя СК6-220 расширен до 50 В амплитудного значения первой гармоники (максимального значения сигнала произвольной формы).
Измеритель коэффициента гармоник СК6-220 по принципу действия и основным метрологическим характеристикам аналогичен калибратору-измерителю нелинейных искажений СК6-20, который выпускается с 2009 г. Основные различия приборов: измеритель СК6-220 управляется встроенным процессором и не нуждается, как СК6-20, во внешнем компьютере; динамический диапазон измерителя СК6-220 расширен до 50 В амплитудного значения первой гармоники (максимального значения сигнала произвольной формы). Выбор функций и параметров измерений осуществляется с клавиатуры, отображение функций и результатов измерений производится на ЖК дисплее, которые расположены на передней панели СК6-220.
Измеритель допускает по команде оператора вычисление и индикацию коэффициента нелинейных искажений.
Основные метрологические и технические характеристики измерителя СК6-220
| Наименование характеристики | Значение характеристики |
| Диапазон измерений коэффициента гармоник Кг при частоте первой гармоники от 10 Гц до 200 кГц: при амплитуде первой гармоники (максимальном значении сигнала произвольной формы) от 0,05 до 0,5 В при амплитуде первой гармоники (максимальном значении сигнала произвольной формы) от 0,5 до 50 В | от 0,01 до 100 % от 0,001 до 100 % |
| Диапазон измерений частоты | от 10 Гц до 1200 кГц |
| Диапазон измерений амплитуды первой гармоники | от 0,05 до 50 В |
| Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений частоты первой гармоники ΔF, Гц | ΔF = ± (2·10-4 ·F + 0,01 Гц), где F – измеренная частота, Гц |
| Пределы допускаемой относительной погрешности измерений амплитуды первой гармоники δА: в диапазоне частот от 10 Гц до 20 кГц в диапазоне частот свыше 20 до 200 кГц в диапазоне частот свыше 200 до 1000 кГц | ± 1 % ± 3 % погрешность не нормируется |
| Характеристики измерителя при определении уровней амплитуды и фазовых сдвигов высших гармоник относительно первой гармоники при частоте и амплитуде первой гармоники от 10 Гц до 200 кГц и от 0,5 до 50 В: диапазон уровней амплитуды диапазон фазовых сдвигов | от минус 100 до 0 дБ от 0 до 360º |
| Диапазон уровней интергармоник и субгармоник сигнала относительно амплитуды первой гармоники при частоте и амплитуде первой гармоники от 10 Гц до 200 кГц и от 0,5 до 50 В при определении уровней и частот интергармоник и субгармоник сигнала | от минус 100 до 0 дБ |
| Количество независимых наблюдений при измерениях | от 1 до 10 |
| Мощность, потребляемая от сети электропитания 220 В, 50 Гц, не более | 40 В∙А |
| Габаритные размеры (длина × высота × ширина) | 345 × 150 × 340 мм |
| Масса, не более | 5,5 кг |
| Электромагнитная совместимость | По ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств» |
| Безопасность | По ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного оборудования» |
| Рабочие условия применения: температура окружающего воздуха относительная влажность окружающего воздуха при температуре + 25 °C атмосферное давление | от + 10 до + 35 °C до 80 % от 70 до 106,7 кПа |
| Условия хранения и транспортирования (в футляре и упаковке для транспортирования): температура окружающего воздуха относительная влажность окружающего воздуха при температуре + 35 °C атмосферное давление | от минус 50 до + 50 °C до 98 % от 70 до 106,7 кПа |