Измерение активной мощности и энергии в трехфазных цепях

В трехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки (треугольником или звездой) мгновенное значение мощности р системы равняется сумме мгновенных значений мощности отдельных фаз. Для измерения мощ­ности, а следовательно, и энергии трехфазной системы могут быть применены один прибор, два прибора или три прибора. Метод одного прибора применяется в симметричных трехфазных системах. В асимметричной системе, в которой значения токов, напряжений и углов фазового сдвига неодинаковы, используется метод двух приборов

Наконец, в самом общем случае, в том числе и в четырехпро­водной асимметричной системе применяется метод трех приборов.

Рассмотрим методы измерения мощности, что дает также представление и о методах измерения энергии.

Метод одного прибора. Если трехфазная система симметрич­на, а фазы нагрузки соединены звездой с доступной нулевой точкой, то однофазным ваттметром измеряют мощность одной фазы. Для получения мощности всей системы показания ваттметра утраивают. Можно также измерить мощность при соединении фаз нагрузки треугольником, но при условии, что последовательную обмотку ваттметра можно включить в одну из фаз нагрузки.

Если нагрузка включена треугольником или звездой с недо­ступной нулевой точкой, то применяют включение ваттметра с искусственной нулевой точкой, которая создается с помощью двух дополнительных резисторов с активным сопротивлением. Для получения мощности всей системы показание ваттметра нужно утроить. То же самое будет и при соединении нагрузки звездой.

Для измерения энергии такая схема не применяется из-за большой индуктивности параллельной цепи счетчика.

Метод двух приборов. Этот метод применяют в асимметрич­ных трехпроводных цепях трехфазного тока. Возможны три варианта схемы включения двух приборов. Анализ работы ваттметров по этим схемам показывает, что в зависимости от характера нагрузки фаз знак показаний каждого из ваттметров может меняться. Активная мощность трехфазной системы в этом случае должна определять­ся как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров.

Метод трех приборов. В том случае, когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, т. е. когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система, применяют три ваттметра. При таком включении каждый из ваттметров измеряет мощность од­ной фазы. Полная мощность системы определяется как арифме­тическая сумма показаний ваттметров.

В промышленных условиях применяют двух- и трехфазные ваттметры и счетчики, которые представляют собой сочетание в одном приборе двух или трех однофазных измеритель­ных механизма, имеющих общую подвижную часть, на которую действует суммарный вращающий момент всех элементов.

Измерение реактивной мощности и энергии в трехфазной цепи. Реактивную мощность трехфазной сети можно представить как сумму реактивных мощностей отдельных фаз. Измерить реактивную мощность (энергию) трехфазной сети можно различными способами: при помощи обычных ваттметров (счетчиков), включаемых по специальным схемам, и при помощи реактивных ваттметров (счетчиков). При полной симметрии трехфазной сети реактивную мощ­ность можно измерить одним ваттметром. Для определения реактивной мощности всей системы показа­ния ваттметра умножают на Öз. Схема с одним ваттметром даже при незначительной асимметрии системы дает большие погреш­ности. Лучшие результаты получают при измерении реактивной мощности двумя ваттметрами.

При неравномерной нагрузке фаз, но симметричной системе напряжений (частичная асимметрия) реактивная мощность трехфазной сети может быть измерена двумя одинаковыми ватт­метрами активной мощности с искусственной нулевой точкой. Для создания искусственной нулевой точки ис­пользуют резистор, сопротивление которого равно сопротивле­нию параллельной цепи ваттметра. В случае равномер­ной нагрузки фаз, для получения реактивной мощности трехфазной сети сумму показаний ваттметров умножают на Ö3.

На основе этого метода выпускают реактивные счетчики, пригодные как для трехпроводных, так и четырехпроводных це­пей трехфазного тока.

При косвенных методах измерения электрической энергии, например при поверке счетчиков электрической энергии, исполь­зуют электродинамические ваттметры и секундомеры.

Измерение количества электричества. Для измерения количе­ства электричества применяют баллистические галь­ванометры, кулонметры и счетчики ампер-часов. Все эти приборы включают последовательно в цепь измеряемого тока либо непо­средственно, либо с помощью шунта.

Баллистические гальванометры применяют для измерения малых количеств электричества, протекающих в течение корот­ких промежутков времени. Погрешность измерения количества электричества баллистическим гальванометром в значительной мере зависит от соотношения времени прохождения импульса тока через катушку гальванометра и периода свободных колеба­нии его подвижной части и может составлять ± (5—10) %.

Кулонметры служат для измерения количества электричества в импульсах тока, протекающих за время от 0,05 до 2 с при ампли­туде тока от 20 до 200 мА. Приведенная погрешность измерения кулонметром не превышает ±5 %. Особенностью работы кулонметра является необходимость постоянства амплитуды импульса измеряемого тока, т. е. применение его ограничивается измерени­ем количества электричества прямоугольных импульсов.

Счетчики ампер-часов применяют для измерения количества электричества, протекающего в течение длительного времени. Их используют, например, для учета количества электричества, про­текающего в цепи нагрузки аккумуляторных батарей, для учета количества электричества в электролизных цехах и т. п. Приве­денная погрешность магнитоэлектрических счетчиков ампер-ча­сов не превышает ±0,5 %. Приведенная погрешность электрон­ных счетчиков ампер-часов не более ±1 %. Приведенная по­грешность электролитических счетчиков ампер-часов больше и может достигать ± (2—4) %.

ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ, ФАЗЫ, ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ,

Общие сведения. При научных исследованиях и в производ­ственной практике часто встречается необходимость измерения частоты, фазового сдвига между напря­жением и током нагрузки в цепях промышленной частоты и меж­ду периодическими напряжениями одинаковой частоты любой формы.

Диапазон частот периодических сигналов, используемых в различных областях науки и техники, очень широк - от долей герца до десятков гигагерц. Весь спектр частот электромагнитных колебаний делят на два диапазона - низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20—20000 Гц) и ультразвуковые (20—200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высо­кие частоты (200 кГц — 30 МГц), ультравысокие (30—300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Измерения частоты в высокоча­стотном диапазоне (ультра- и сверхвысокие частоты) относят к радиоизмерениям.

Измерение частоты по сравнению с измерениями других физических величин возможно с очень большой точностью, обуслов­ленной высокой помехозащищенностью частотного сигнала и возможностью преобразования частоты с большой точностью в циф­ровой код. Погрешность измерения частоты зависит от используемых средств и методов измерений и различна для раз­ных диапазонов частот.

Временной интервал отличается многообразием форм пред­ставления. Так, временной интервал может быть в виде периода синусоидальных колебаний, периода следования импульсов, ин­тервала между двумя импульсами, в виде длительности импульса и т. п. Диапазон измеряемых временных интервалов очень широк: от долей микросекунды до десятков часов и более.

В некоторых случаях частота и время связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью и могут быть измерены с одинаковой точностью. Предельная точность измерений времен­ных интервалов и частоты определяется точностью государствен­ного первичного эталона, обеспечивающего воспроизведение еди­ниц времени и частоты со средним квадратическим отклонением результата измерения, Государственный первичный эталон передает размер единиц вре­мени и частоты через вторичные эталоны, эталоны-копии, рабо­чие эталоны образцовым средствам измерений времени и часто­ты. Диапазон измерения угла фазового сдвига составляет 0 ¸360°. Некоторые средства измерений градуируют не в еди­ницах угла сдвига, а в безразмерных единицах коэффициента мощности. Точность измерения угла фазового сдвига зависит от частоты напряжений (токов), фазовый сдвиг между которыми измеряет­ся, а также от применяемых средств и методов измерений.

Предельная точность измерений угла фазового сдвига опре­деляется государственным специальным эталоном угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями. Для рабочих средств измерений пределы допускаемых абсолютных погрешностей составляют от 0,03 до 5°.

Измерение частоты. В зависимости от диапазона измерений и требуемой точности используют различные средства и методы измерений.

Для измерения частоты в узком диапазоне (45—55; 450— 550 Гц и т. д.) при наибольшей частоте 2500 Гц применяют электродинамические и электромагнитные частотомеры. Классы точ­ности электродинамических частотомеров 1; 1,5; электромагнит­ных частотомеров — 1,5; 2,5.

Для измерения низкой частоты в узком диапазоне (48—52; 45—55 Гц и т. д.) могут применяться резонансные частотомеры. Класс точности таких частотомеров 1—2,5.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот частота может измеряться высокочастотными резонансными частотомерами, в которых, в отличие от электромеханических резонансных частотомеров, используется колебательный контур из катушки индук­тивности и конденсатора. Погрешность измерения частоты в этом случае составляет ± (0,05—0,1) %.

Для измерения частоты электрических сигналов получил рас­пространение метод сравнения, отличающийся относительной простотой, сравнительно высокой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте. Индикатором равенства или кратности частот может служить электронный осциллограф. Этот способ измерения частоты приго­ден для измерения частот в пределах полосы пропускания элек­тронно-лучевой трубки. Измерение частоты можно производить при линейной, синусоидальной и круговой развертках.

При линейной развертке период сигнала измеряемой частоты сравнивается с периодом развертки, либо с периодом меток времени калибратора длительности. В первом случае учитыва­ется коэффициент развертки, а результат измере­ния частоты определяется по формуле. При измерении частоты с помощью меток времени калибратора длительности устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и регулируют период меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. Преимуществом этих спосо­бов является возможность исследования колебаний любой фор­мы, недостатком — низкая точность: погрешность может дости­гать ±(5—10) %.

Более точные результаты могут быть получены при сравнении двух колебаний синусоидальной формы методом фигур Лиссажу. На одну из пар отклоняющих пластин осциллографа подают. синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую - исследуемое напряжение. Изменяя известную частоту, добивают­ся получения кривой на экране в виде неподвижной или медленно перемещающейся фигуры Лиссажу. По виду фигуры Лиссажу судят о частоте и фазовом сдвиге исследуемого напряжения.

Кратность частот при любой форме неподвижного изображения фигуры определя­ют по числу пересечений изображения фигуры горизонтальной и вертикальной линиями. Этот метод применяют лишь при относительно небольшой кратности частот, обычно не превышающей 10, так как в против­ном случае фигуры Лиссажу становятся запутанными и с трудом поддаются расшифровке.

При большей кратности сравниваемых частот предпочтитель­ным оказывается метод круговой развертки. В этом случае два равных напряжения низкой частоты fx с фазовым сдвигом 90° подают на оба входа осциллографа. Под действием этих напряжений луч на экране описывает окружность с частотой напряжений. Напряжение измеряемой частоты подают к электроду, модулирующему яркость элек­тронного луча (канал Z). При кратности частот на экране будет изображение окружности в виде штриховой линии. Число темных или светлых штрихов равно кратности частот При круговой развертке сравнивать частоты можно до кратности 50, а при фотографировании осциллограммы — до нескольких сотен.

Погрешность осциллографических методов измерения часто­ты определяется главным образом погрешностью определения эталонной частоты и может быть доведена до 10^-4-10^-6.

В последнее время перечисленные методы и средства измере­нии частоты все более вытесняются измерением с по­мощью цифровых частотомеров.

Измерение временных интервалов. Для измерения временных интервалов применяют электронно-лучевые осциллографы и циф­ровые измерители временных интервалов.

При применении электронно-лучевого осциллографа времен­ной интервал измеряют, используя метки времени калибратора с известным периодом длительности, либо учитывая коэффициент разверт­ки. Погрешность измерения временных интервалов в этом случае достигает 5— 10 %.

Для измерения временных интервалов однократно протека­ющих импульсных процессов необходимо применять осцилло­графы с достаточным послесвечением.

Для измерения временных интервалов очень малой длитель­ности импульсов (10^-9 -10^-10 с) используют стробоскопические осциллографы, принцип действия которых состоит в измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью ко­ротких так называемых стробирующих импульсов напряжения.

Измерение фазового сдвига. Для измерения фазового сдвига между напряжением и током нагрузки в цепях промышленной частоты применяют электродинамические фазометры классов точности 0,2; 0,5.

В симметричных трёхфазных цепях коэффициент мощности может измеряться специальными трехфазными фазометрами, классы точности которых 1,5; 2,5.

В несимметричной трехфазной цепи измеряют фазовые сдви­ги между напряжением и током в каждой фазе отдельно. При этом токовые зажимы фазометра включают последовательно в фазу трехфазной цепи, а потенциальные — между фазой и ну­левой точкой трехфазной цепи. Если нулевая точка недоступна, то ее создают искусственно.

Большое распространение получили цифровые фазометры, имеющие частотный диапазон входных напряжений до 150 МГц. Приведенная погрешность цифровых фазометров ±(0,1— 0,5) %.

Для измерения фазового сдвига применяют электронно-луче­вые осциллографы. Проще всего измерения фазового сдвига выполняют с помощью двухлучевых или двухканальных осцил­лографов. В этом случае на экране получают изображение двух напряжений, что дает возможность измерить временной сдвиг между напряжениями и период и оценить фазовый сдвиг. Погрешность измерения может дости­гать ±(5—10) %.

Фазовый сдвиг может быть измерен также с использованием фигур Лиссажу. Значение фазового сдвига определяют отрезки осей координат, определенные по изображению. Погреш­ность определения фазового сдвига составляет (5—10) %.

Более высокую точность измерения можно получить, исполь­зуя электронно-лучевой осциллограф как нуль-индикатор. В этом случае между источником одного напряжения и соответствующим входом осциллографа включается фазовращающее устройство. Фазовый сдвиг регулируется фазовращающим устройством до тех пор, пока фигура Лиссажу на экра­не осциллографа не превратится в прямую линию. Измеряемый фазовый сдвиг в этом случае отсчитывается по шкале фазовращателя.

Для измерения фазового сдвига, а также коэффициента мощ­ности (или косинуса угла сдвига) можно воспользоваться также косвенным методом трех приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Недостатком этого метода является суммирование погрешностей отдельных средств измерений и необходимость од­новременного отсчета показаний трех приборов и вычисления значения искомой величины.

 

 

ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН МЕТОДАМИ СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ

Общие сведения. Сравнение измеряемой величины с мерой происходит при любом измерении. Во многих случаях мера заменяется некоторым ее эквивалентом и непосредственно в процессе измерения не исполь­зуется. Например, в электромеханических приборах отсчет измеренного значения производится по шкале, которая заранее градуируется с помощью меры. В большой группе средств измерений реализуется метод сравне­ния измеряемой величины с мерой, и измерения заключаются в уста­новлении равенства или определенного соотношения между значе­нием измеряемой величины и значением меры.

В устройствах сравнения может быть использована мера однородная с измеряемой величиной или неоднородная. Напри­мер, при измерении индуктивности с помощью моста переменного тока в качестве меры можно использовать емкость конденсатора. В этих случаях определение значения измеряемой величины произ­водится на основании известной математической зависимости изме­ряемой величины от меры, реализуемой в средстве измерения.

Методы сравнения известны следующие: дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

При дифференциальном методе измеряемая величина сравнивается с ме­рой, а значение измеряемой величины равно сумме показания прибора и известной величины - меры. Дифференциальный метод дает точный результат измерения, если измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга. Например, если разность их равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то погрешность измерения уменьшается до 0,01 %. Примером дифференциального метода служит измерение вольтметром разности двух напряже­ний, из которых одно является мерой, а другое - искомой величиной.

Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект от воздействия на индикатор меры и измеряемой величины равен нулю. При равенстве напряжений измеряемого и меры исчезает ток в участке цепи или напряжение на нем, что может быть зафиксировано специальным прибором - нуль индикатором. Вследствие высокой чувствительности нуль индикаторов и большой точности меры получается большая точность измерений. Пример нулевого метода - измерение электрического сопротивления мостом. На основе нуле­вого метода действуют потенциометры (компенсаторы) постоянного и переменного тока.

Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей измеряемую величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того, что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Пример метода замещения - измерение сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через искомое сопротивление и образцовое.

Метод совпадения — это такой, при котором для измерения используют совпадение отметок шкал или периодических сигна­лов. Пример - измерение скорости вращения тела стробо­скопом. Если питать неинерционную осветительную лампу от источ­ника кратковременных импульсов известной частоты и осве­щать ею метку на вращающемся теле, то по положе­нию меток можно определить скорость вращения тела. Если метка кажется неподвижной, то время целого числа оборотов тела равно одному пе­риоду вспышки лампы. Погрешность измерения равна по­грешности периода источни­ка, питающего лампу. Эта погрешность может быть незначительна.

 

МОСТОВЫЕ СХЕМЫ

Общие сведения. Мостовые схемы широко применяются в электроизмерительной технике. Они дают возможность измерять сопротивление, индуктивность, емкость и угол потерь конденсаторов, взаимную индуктивность и частоту. Мостовые схемы широко исполь­зуются также для измерения неэлектрических величин электриче­скими методами. Например температуры, малых перемещений, других.

Широкое применение мостовых схем объясняется большой точностью изме­рений, высокой чувствительностью, воз­можностью измерения различных вели­чин.

Мост содержит резисторы, включенные четырехугольником. Каждый резистор называется плечом (или ветвью) моста. В диаго­наль, называемую выходной, включен нуль-индикатор, например гальва­нометр; выводы другой диагонали подключены к источнику тока.

Если произведения сопротивлений резисторов противолежащих плеч равны, мост уравновешен, ток в выходной диагонали равен нулю. Из этого следует возможность включения измеряемого сопротивления в любое плечо моста и определение его величины через сопротивления трех других плеч.

В мостах переменного тока сопротивления плеч моста имеют комплексный характер. Для уравновешенного состояния моста необходимо равенство произведений комплексных сопротивлений противолежащих плеч. Поэтому для равновесия мостов переменного тока не­обходимо регулировать два параметра схемы, чтобы вы­полнить оба условия равновесия моста:

1. Равенство произведений комплексных сопротивлений противолежащих плеч;

2. Равенство сумм углов сдвига токов относительно напряжений в противолежащих плечах.

1) Z ₁ Z ₄ = Z ₂ Z ₃ z ₁ z ₄ exp j ( j₁+j₄ )=z ₂ z ₃ exp j(j₂+j₃) Þ 2) j₁+ j₄ = j₂+ j₃.

Эти условия равносильны и обязательны для достиже­ния равновесия моста.

Второе условие указывает, при каком расположении комплексных сопротивлений можно уравно­весить схему. Если в двух смежных плечах включены чисто активные сопротивления, то в двух других смежных плечах могут быть вклю­чены индуктивности или емкости.

Если активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в одно из противоположных плеч должна быть включена индуктивность, в другое - емкость.

Мосты, в которых измеряемая величина определяется из усло­вия равновесия, называются уравновешенными. Иногда измеряемая величина определяется по току или напряжению выходной диагонали моста. Такие мосты называются неуравновешенными.

Чувствительность мостов - это отношение приращения выходного сигнала к приращению вход­ной величины. Выходным сигналом мостовой схемы может быть ток, напряже­ние или мощность. Входной величиной является измеряемая вели­чина (сопротивление, индуктивность и др.), включенная в плечо мо­ста. В соответствии с этим различают чувствительность мостовой схемы по току, напряжению и мощности. Доказано, что чувствительность моста максимальна, когда сопротивления всех плеч равны между собой и равны сопротивлению гальванометра.

Мосты для измерения сопротивления на постоянном токе

Одинарными мостами посто­янного тока называют четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Они используются для измере­ния сопротивления на постоянном токе. В качестве нуль индикаторов в мо­стах постоянного тока применяются магнитоэлектрические гальванометры.

Процесс измерения заключается в том, что в одно из плеч моста включают измеряемое сопротив­ление и, изменяя сопротивление другого плеча, доби­ваются отсутствия тока в цепи гальванометра. Из условия равновесия определяется значение сопротивления.

Одинарные мосты постоянного тока весьма распространены; из­вестен ряд конструкций утих приборов с различными характеристи­ками. Погрешность моста зависит от пределов измерения и указы­вается обычно в паспорте моста.

Конструктивно мосты оформляются в виде переносных приборов; они рассчитаны на работу с собственным или наружным нуль индикатором.

При измерении малых сопротивлений (мень­ших 10 Ом) на результат изме­рения существенное влияние оказывает сопротивление соединитель­ных проводов, включенных последовательно с измеряемым сопро­тивлением. Погрешность, вносимая соединительными проводами, может оказаться недопустимой. Уменьшить ее можно, включив измеряемое сопротивление по 4-х зажимной схеме. В этом случае два провода входят в цепи диагоналей, а два другие – в цепи смежных плеч, поэтому сопротивления проводов не влияют на результат измерения.

 

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Общие сведения. Электронно-лучевые (электронные) ос­циллографы предназначены для визуального наблюдения, изме­рения и регистрации электрических сигналов. Возможность на­блюдения изменяющихся во времени сигналов делает осцилло­графы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий час­тотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

Осциллогра­фы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного харак­тера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункцио­нальные со сменными входными блоками, запоминающие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для иссле­дования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и двухканальны­ми. В последнее время получили распространение цифровые электронные осциллографы.

Осциллографы могут различаться чувствительностью, поло­сой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой и другими характеристиками.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевые трубки. Простейшая однолучевая труб­ка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены подогревае­мый катод, модулятор (сетка), фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А2, две пары взаимно перпендикулярных откло­няющих пластин - горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины. Внутренняя поверхность дна баллона – экран - покрыта люминофором, способным светиться под дей­ствием бомбардировки электронами. Совокупность катода, сетки и анодов называют электронной пушкой. Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов - электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напря­жение. Интенсивность электронного луча регулиру­ют путем изменения отрицательного относительно катода напря­жения на модуляторе, что приводит к изменению яркости свече­ния люминофора. Напряжение на первом аноде фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на второй анод подается высокое положительное напряжение. Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся плас­тин и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат Х и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране труб­ки.

Осциллографические электронно-лучевые трубки характери­зуются чувствительностью, полосой пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площадью экрана, цветом свечения лю­минофора. Чувствительность трубки S_T = l/u, где l — отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением u, приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно Sт=0,5¸5 мм/В. С увеличе­нием частоты напряжения чувствительность трубки падает. Верхняя частота полосы пропускания трубки равна такой часто­те, при которой ее чувствительность уменьшается до значения 0,707 Sт (на 3 дБ), где Sт — чувствительность на малых часто­тах. У рассматриваемых электронно-лучевых трубок верхняя час­тота примерно 100 МГц.

Длительность послесвечения экрана характеризуют временем от момента прекращения действия электронного луча до момента, когда яркость изображения составит 1 % первоначальной. Труб­ки с длительным послесвечением (более 0,1 с) облегчают наблю­дение непериодических и медленно изменяющихся сигналов. Спе­циальные запоминающие трубки позволяют сохранить изображе­ние сигнала на интервалы времени от нескольких минут до нескольких суток.

Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки. Выпускают трубки с диаметром 70 мм и более. Тип люминофора определяет цвет свечения экрана. Обычно находят применение трубки с зеленым цветом свечения. Для фотографирования изо­бражения с экрана осциллографа используют трубки с голубым свечением экрана.

Устройство и принцип действия осциллографа. Упрощенная функциональная схема осциллографа включает в себя электронно-лучевую трубку, входной делитель напряжения, усилитель вертикального отклонения, состоящий из предварительного усилителя, линии задержки и выходно­го усилителя, блок синхронизации, генератор развертки, усилитель горизонтального отклонения и калибраторы амплитуды и длительности.

Исследуемый сигнал подается на вход Y канала вертикально­го отклонения, включающего в себя входной делитель и усили­тель вертикального отклонения. Выходное напряжение усилителя, по­ступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет от­клонением электронного луча в трубке по оси Y. Для получения требуемого размера изображения на экране входной сигнал уси­ливается (или ослабевает) в канале вертикального отклонения до необходимого значения, определяемого чувствительностью труб­ки. Последовательное включение делителя напряжения и усили­теля вертикального отклонения обеспечивает значительный диа­пазон исследуемых напряжений.

При подаче переменного напряжения на вход Y электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения, развернутого во времени, необходимо смещать (развертывать) луч по оси Х с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины линейно изменяющегося пилообраз­ного напряжения. При равенстве периодов напряжений и развертки на экране получается неподвижное изобра­жение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения в п раз на экране появит­ся изображение п периодов исследуемого сигнала.

Напряжение развертки вырабатывает генератор развертки. Реальная кривая напряжения развертки имеет время прямого и время обратного хода - время возвращения луча в исходное положение. Для того чтобы во время обратного хода электронный луч не вычерчивал линии на экране осциллографа, его гасят на это время путем подачи отри­цательного импульса на модулятор. Исследование сигналов в ши­роком диапазоне частот обеспечивается переключением частоты пилообразного напряжения, предусмотренном в генераторе раз­вертки. Это позволяет проводить наблюдения исследуемых сигна­лов в нужном масштабе времени. Выходное напряжение генера­тора усиливается до значения, необходимого для управления электронным лучом в ЭЛТ и получения изображения требуемого размера.

Для получения устойчивого изображения на экране осцил­лографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот на практике оказывается сложно вследствие «ухода» частоты генератора и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к не­устойчивости изображения сигнала. Для обеспечения устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации, который осуществляет изменение частоты генератора (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса. Для этого сигнал из канала вертикально­го отклонения подается на блок синхронизации, на выходе кото­рого вырабатываются импульсы синхронно с изменением иссле­дуемого сигнала для управления генератором развертки, прину­дительно заставляя его работать с частотой, кратной частоте входного сигнала. Такой режим работы генератора развертки называется непрерывным. Он применяется при наблюдении пери­одических сигналов. При исследовании непериодической после­довательности импульсов или одиночных импульсов непрерывный режим работы приводит к тому, что положение изображения импульсов на экране по оси времени становится неопределенным. В этом случае применяют ждущий режим работы генератора, при котором генератор развертки вырабатывает пилообразный импульс только с прихо­дом исследуемого импульса. При таком режиме обеспечивается устойчивое положение изображения этих импульсов на экране.

В осциллографах предусматривается также возможность за­пуска генератора развертки от внешнего источника (внешняя синхрони­зация). Для этого имеется специальный вход «Вход синхрониза­ции» и переключатель.

Для расширения функциональных возможностей осциллогра­фа имеются дополнительные входы, позволяющие осуществить управление электронным лучом. Во многих осциллографах пре­дусмотрена возможность управления отклонением луча по оси Х внешним напряжением. Для этого у осциллографа есть «Вход X », на который подается внешнее управляющее напряжение, и соответствующий переключатель. В осциллографах имеются так­же зажимы «Вход пластин X » и «Вход пластин Y », позволяющие подавать внешнее напряжение непосредственно на пластины электронно-лучевой трубки. В некоторых осциллографах имеется вход Z, который через разделительный конденсатор (или специ­альный усилитель) соединен с модулятором М электронно-луче­вой трубки. Подавая импульсы напряжения на этот вход, можно модулировать (изменять) яркость свечения изображения на экране. Это позволяет, например, отмечать характерные точки на изображении, подавая импульсы на вход Z в необходимые мо­менты времени.

При измерении амплитудных и временных параметров иссле­дуемых сигналов обычно измеряют соответствующие геометриче­ские размеры изображения сигнала на экране и с помощью ко­эффициентов отклонения и коэффициентов развертки, характеризующих чувствительность каналов, определяют значения этих параметров. Для повышения точности измерений осциллографы имеют калибраторы амплитуды и длительно­сти, позволяющие контролировать и устанавливать номи­нальные значения коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки. Калибраторы представляют собой генераторы прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Меняя усиление, добиваются нормированного отклонения луча на экране, что приводит к установке соответствующего коэффициента отклонения. По периоду калибровочного импульса можно проверить или установить нормированное значение ко­эффициента развертки.

Основные характеристики осциллографов. Коэффициент от­клонения — отношение напряжения входного сигнала к от­клонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряже­нием. У наиболее распространенных осциллографов коэффициент отклонения находится в диапазоне 50 мкВ/дел —-10 В/дел. Ко­эффициент отклонения — параметр, обратный чувствительности осциллографа к напряжению.

Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ (при­мерно 30 %) относительно его значения на некоторой средней (опорной) частоте. Для низкочастотных осциллографов полоса пропускания находится в диапазоне от 0 до 1—5 МГц; для уни­версальных осциллографов верхняя частота достигает десятков мегагерц, для высокочастотных — сотен мегагерц.

Для измерения импульсных сигналов важными являются па­раметры переходной характеристики — время нарастания пере­ходной характеристики и максимальный выброс.

Коэффициент развертки — отношение времени к откло­нению луча, вызванному напряжением развертки за это время. Коэффициент развертки — параметр, обратный ско­рости перемещения луча по оси X.

Основная погрешность измерения напряжения и основная погрешность измерения временных интервалов определяются максимально допускаемыми погрешностями измерения соответ­ствующих параметров при подаче на вход осциллографа стан­дартного сигнала синусоидальной или прямоугольной формы. В зависимости от значений этих погрешностей выпускают осцил­лографы четырех классов точности — 1, 2, 3, 4, имеющих, соответственно, основные погрешности измерений, не превышаю­щие 3, 5, 10, 12 %. Часто вместо основных погрешностей измере­ний нормируют основные погрешности коэффициента отклонений и коэффициента развертки, а также нелинейность отклонения и развертки.

Параметры входов осциллографа определяются входным ак­тивным сопротивлением и входной емкостью. Обычно входное сопротивление более 1 МОм, а входная емкость составляет десятки пикофарад.

Тема 9 РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ (РП)

— Я извиняюсь, — вскричал Коровьеввот он, ваш документ, — и Коровьев подал Мастеру документ.

понятия; преобразователи; регистрирующие органы; приборы

1.ПОНЯТИЯ

Регистрирующий прибор – выполняет запоминание и представление величины, изменяющейся во времени.

РП выполняет три операции:

1. преобразует значение величины (напряжения, тока) в положение чего-то (стрелки, каретки) в пространстве, 2. преобразует значение времени в положение чего то (след на бумаге, состояние триггеров) в пространстве,

3. представляет эти пространственные положения в наглядном (способном восприниматься зрением) виде - посредством регистрирующего органа (РО)

 

2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.1. Преобразователи величины

Два типа:

А. те, что рассмотрены выше: магнитоэлектрические (тема 4), аналого-цифровые (тема 8) преобразователи

Б. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИ

Схема Особенности 1.повышенная точность (класс 0,25¸0,5) благодаря наличию интегрирующего элемента - Д;

Назначение преобразовать значение напря-жения или тока в положение стрелки и РО. Принцип действия от измеряемого напряжения вычитается напряжение обрат-ной связи по положению (ОС), разница усиливается и поступает на двигатель (Д). Д вращаясь преобразует напряжение в координату (положение в пространстве) элементов: 1. стрелки, 2. РО (например, струи краски) и 3. датчика ОС -преобразователя координаты в напряжение (см. тему 11). 2. повышенная мощность регистрирующих устройств;

2.2. Преобразователи времени – движущаяся лента

Принцип действия

двигатель обеспечивает постоянную скорость движения ленты, в результате координата в направлении скорости является координатой времени

 

Схема

Математическая модель x=òvdt, при v = const xº t

3. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ

3.1.Чернильный контактный

Схема

Принцип действия чернила вытекают из трубки, оставляя след на бумаге Особенность 1.необходимость специальных чернил; 2.большая ширина следа (инструментальная погрешность) 3.возможность засорения отверстия.

 

3.2. Чернильный струйный

Схема

Принцип действия понятен из рисунка Особенности 1.повышенное быстродействие; 2.малые усилия для перемещения РО.

Вариант:

Схема

Принцип действия струя чернил, измельченная вибрацией, проходит между пластинами, на которые подается ЭДС Е, пропорциональная измеряемому напряжению. Под действием Е струя отклоняется. Особенность высокое быстродействие (до 1кГц)

 

4. ПРИБОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ (РП)

4.1.Самопишущий РП

Схема - совокупность измерительного устройства сравнения, движущейся ленты и

чернильного РО.

Назначение - регистрация электрических величин, изменяющихся с частотой до 1 Гц.

 

4.2. Быстродействующий самопишущий РП

Схема - совокупность магнитоэлектрического преобразовательного устройства, движущейся ленты и чернильного РО.

Назначение - регистрация электрических величин, изменяющихся с частотой до 200 Гц.

 

При изучении этой части курса следует обратиться к учебнику Метрологія та вимірювальна техніка. За редакцією проф. Є.С.Поліщука. Львів.-“Бескид Біт”.-2003. Темы изложены на стр. 120¸309.