книга в верде после распозна (1024283), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Светолучевой осциллограф состоит из магнитного блока с осцил-лографическими гальванометрами (ОГ), оптической системы, развертывающей системы, отметчика времени и блока питания.
Осциллографический гальванометр представляет собой укрепленную на растяжках подвижную рамку магнитоэлектрического измерительного механизма, заключенную в кожух из магнитного материала. На кожухе укреплены магнитно-мягкие полюсные наконечники. ОГ вставляются в специальные гнезда, являющиеся воздушными зазорами магнитопровода единого постоянного магнита. Таким образом, все рамки находятся в постоянном магнитном поле. При прохождении по рамке исследуемого тока происходит ее поворот, как и в обычном
0
Рис. 2.49
магнитоэлектрическом механизме. Из-за того что подвижная часть ОГ имеет малый момент инерции, угол ее отклонения в каждый момент времени пропорционален мгновенному значению тока. На подвижной части ОГ укреплено маленькое зеркальце для светового отсчета.
Схема общего устройства осциллографа приведена на рис. 2.49. Луч света от источника 1 проходит через узкую щель 2 и призму 3 и отражается от зеркальца 4. Затем он попадает на призму 5, где разделяется на две части. Часть луча проходит поверх призмы 5 и концентрируется с помощью цилиндрической линзы 6 в точку на фотопленке 7. Вторая часть луча отклоняется призмой 5 и направляется на зеркальный многогранный барабан 8, отражаясь от которого, иадает на экран 9. Если пленка 7 и зеркальный барабан 8 находятся в покое, то при колебаниях зеркала от четырех ОГ световое пятно описывает на пленке в поперечном направлении и на экране прямую линию. Для наблюдения и фотографирования исследуемого процесса во времени надо развернуть движение луча по оси времени. Для этого пленку протягивают, а зеркальный барабан приводят во вращение. Если скорость вращения барабана такова, что луч пермещается по одной грани в течение времени, равного целому числу периодов исследуемого тока, то кривая на экране неподвижна.
Лентопротяжный механизм и барабан приводятся двигателем, Следует отметить, что устройства для визуального наблюдения отсутствуют во многих современных светолучевых осциллографах, которые осуществляют только функцию регистрации на фотоносителе.
Для задания масштаба времени используют специальные отметчики, с помощью которых на носитель наносятся метки, разделенные известными временными интервалами. Отметчики времени обычно строятся на основе электромеханических устройств. Функцию отметчика может 90 выполнять также специально выделенный для этой цели ОГ, на вход которого подаются импульсы с известным периодом, регистрируемые одновременно с исследуемым сигналом.
Область применения светолучевых осциллографов ограничивается инерционностью подвижной части. Без существенных искажений этим прибором можно регистрировать синусоидальные токи и напряжения с частотами не свыше 30 кГц. Светолучевые осциллографы применяются при исследовании электрических машин и аппаратов, в геологии при поисках ископаемых сейсмическими методами, для регистрации землетрясений и т.п.
2.12. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
На практике приходится измерять следующие параметры электрических сигналов: ток, напряжение, мощность, частоту, сдвиг фаз и др. При этом измерения производятся в широком диапазоне значений измеряемых величин и рабочих частот. Ранее, в параграфах, посвященных рассмотрению различных приборов, указывалось на особенности их применения для измерения тех или иных величин, в том числе и параметров электрических 'сигналов. Резюмируем кратко эти сведения.
Измерение напряжения осуществляется в диапазоне частот от 0 до 109 Гц. При более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром. Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт удобно измерять магнитоэлектрическими вольтметрами, которые имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). Следует, однако, иметь в виду, что входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое в основном определяется значением добавочного сопротивления, не превышает десятков килоом. При измерениях в высокоомных цепях собственная проводимость вольтметра может быть причиной значительных погрешностей измерения. Магнитоэлектрическим вольтметрам присуща также температурная погрешность, вызываемая зависимостью сопротивления рамки прибора от температуры.
Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях широко используются электронные аналоговые и цифровые вольтметры. Электронные аналоговые вольтметры и милливольтметры являются многопредельными приборами. Ими можно измерять напряжение от единиц микровольт до нескольких киловольт. Высокое входное сопротивление вольтметров, равное десяткам и более мегаом, снижает потребление мощности из измеряемой цепи до пренебрежимо малых значений. Следовательно, влияние измерительного прибора на режим работы изучаемого объекта оказывается незначительным. Электронные аналоговые вольтметры имеют основную погрешность 1,5 — 6%. Источниками погрешностей являются нестабильность элементов и собственные шумы
0
электронных цепей. Вносят вклад также погрешности измерительного механизма и градуировки шкалы.
Цифровые вольтметры постоянного тока также широко распространены. Они обладают широким диапазоном измерения, высокой точностью и чувствительностью, быстродействием, удобством считывания показаний, возможностью включения в состав измерительно-вычислительных комплексов. Возможности и особенности цифрового вольтметра определяются в первую очередь характеристиками использованного АЦП. Существуют цифровые вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В схемах прямого преобразования применяются время-импульсные, время-импульсные интегрирующие и частотно-импульсные АЦП, а в схемах уравновешивающего преобразования — АЦП поразрядного уравновешивания.
Цифровые вольтметры прямого преобразования отличаются простотой и высоким быстродействием (более 104 измерений в секунду). В интегрирующих вольтметрах благодаря усреднению напряжения по времени измерения достигается повышенная помехозащищенность. Основным достоинством цифровых вольтметров с АЦП поразрядного уравновешивания является высокая точность измерения (приведенная погрешность 0,01— 0,001%). Диапазон напряжений, измеряемых цифровыми вольтметрами разных типов, охватывает диапазон от долей микровольта до единиц киловольт.
Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора, превратив его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного гока, но и многие другие величины: напряжение переменнс/о тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.
Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (§ 2.8). Класс точности этих приборов достигает 0,0005. Пределы измеряемых напряжений — от Ю-9 В до нескольких десятков вольт.
Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения перемен-
ного тока (U = / —$u2(t)dt) измеряется электромагнитными (до
1—2 кГц), электродинамическими (до 2—3 кГц), ферродинамическими (до 1—2 кГц), электростатическими (до 10 МГц) и термоэлектрическими (до 10—100 МГц) приборами.
Выпрямительные приборы реагируют на средневыпрямленное значение
1 Т
S \u(t)\dt,
Т о
0
но градуируются обычно в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной может приводить к большим систематическим погрешностям. Выпрямительные вольтметры используются до частот 10—20 кГц. Электромагнитные вольтметры в основном служат щитовыми приборами. Расширение их пределов измерения достигается использованием измерительных трансформаторов напряжения. Электродинамические, электростатические обычно являются лабораторными приборами, термоэлектрические используются на повышенных частотах. Выпрямительные вольтметры обычно входят в состав многофункциональных переносных измерительных приборов — тестеров.
Эелктронные аналоговые вольтметры применяются для измерения среднеквадратичных, средневыпрямительных и пиковых (амплитудных) значений переменного тока. Их отличает большое входное сопротивление, высокая чувствительность и возможность измерений на высоких частотах (вплоть до сотен мегагерц).
Цифровые вольтметры, предназначенные для измерения напряжения переменного тока, строятся на основе цифровых вольтметров постоянного тока, снабженных преобразователем переменного напряжения в постоянное. В диапазоне частот до 100 кГц их основная погрешность может не превышать 0,5%. Цифровые вольтметры средневыпрямленного значения используют одно- и двухлолупериодные выпрямители. В цифровых вольтметрах среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи. Однако инерционность последних существенно снижает быстродействие вольтметров.
Для одновременного измерения амплитуды и фазового сдвига синусоидального напряжения используются компенсаторы переменного тока. Относительная погрешность измерения при помощи компенсаторов лежит в пределах ± 0,5%.
Измерение тока. Постоянный ток измеряется при помощи магнитоэлектрических приборов. Они обеспечивают наивысшую точность среди электромеханических аналоговых приборов (класс точности 0,05—2,5).
Магнитоэлектрические амперметры позволяют измерять токи от 10"7 до 50 А (при измерении токов больше 0,05 А используются внутренние шунты). Применение шунтов приводит к увеличению влияния изменений температуры на показания приборов. Это связано с тем, что вследствие неодинаковых значений температурных коэффициентов сопротивления рамки и шунта происходит изменение соотношения их сопротивлении, а следовательно, и перераспределение текущих по ним токов. Для уменьшения температурной погрешности применяются различные цепи температурной компенсации. Простейшая из них содержит только один элемент — добавочный резистор из манганина, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма. Такая термокомпенсация удовлетворительна только для приборов классов точности 1,0 и хуже. Более точные приборы используют несколько более сложные цепи тер
0
мокомпенсации, содержащие как последовательные, так и параллельные цепочки резисторов.
Для измерения больших постоянных токов (от 50 А до нескольких килоампер) применяются магнитоэлектрические амперметры и килоам-перметры с наружными шунтами.
Малые постоянные токи (меньше 10"6 А) измеряются при помощи гальванометров.
Измерения постоянного тока с повышенной точностью производятся косвенным образом. Образцовый резистор включается в измеряемую цепь и компенсатором измеряется падение напряжения на этом резисторе. Значение тока вычисляется при помощи закона Ома.
Переменный ток измеряется амперметрами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем. Электромагнитные амперметры являются в основном однопредельными щитовыми приборами (класс точности 1,0; 1,5; 2,5). Они работают со встроенными или наружными измерительными трансформаторами тока, позволяя измерять токи до 300 А и 15 к А соответственно.
Также в качестве щитовых часто работают ферродинамические амперметры. Электродинамические амперметры и миллиамперметры обычно выполняются*в виде переносных лабораторных приборов. Их типичные классы точности 0,2; 0,5; 1,0. Выпрямительные амперметры обычно входят в состав переносных лабораторных комбинированных приборов (тестеров). Их диапазон измерения — от долей миллиампера до нескольких ампер. Набор шунтов обеспечивает изменение пределов измерения. Точность выпрямительных амперметров невелика (классы точности 1,5; 2,5; 4,0). Другим недостатком является зависимость показаний от формы тока. Термоэлектрические миллиамперметры и амперметры применяются на повышенных частотах (до сотен мегагерц). Их диапазон измерений — от нескольких миллиампер до нескольких ампер. Расширение пределов измерения достигается применением высокочастотных трансформаторов тока. Классы точности 1,0; 1,5. Термоэлектрические приборы имеют малую перегрузочную способность. Это является их недостатком.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока чаще всего производится электродинамическими и ферроди-намическими ваттметрами (§ 2.4). Электродинамические ваттметры выпускаются в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. Их классы точности 0,1—0,5. Изменение пределов измерения достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов.
Частотный Диапазон электродинамических ваттметров ограничен сверху частотами порядка нескольких килогерц. С повышением частоты индуктивное сопротивление катушек начинает вносить заметный вклад в погрешность прибора.
0
а) S)
Рис. 2.50
Ферродинамические ваттметры обычно служат щитовыми приборами классов точности 1,5 и 2,5. Их частотный диапазон несколько уже, чем у электродинамических ваттметров, из-за погрешностей, обусловленных потерями в магнитных сердечниках.
Направление отклонения стрелки зависит от направления тока в обмотках ваттметров, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. Зажимы, обозначенные знаком * (звездочкой), соединяются с проводами, идущими от
источника тока. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
