12.15. Цифровые измерительные приборы. Цифровой вольтметр

Упоказывающих приборов со стрелочным указателем есть общий недостаток — субъективность измерений, так как невозможно точно определить положения стрелки на шкале прибора. Этот недостаток устранен вцифровых измерительных приборах с цифровыми индикаторами. Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения и т. д.

Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения (рис. 12.36). На рис. 12.37 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления 1, на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряженияu1 следующие с частотой Д. Импульсы напряжения и₁ одновременно включают генератор периодического линейно изменяющегося напряжения ГЛИН 2 и селектор. На выходе ГЛИНа формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, u _глин = St, которое подается на вход блока сравнения 3. Селектор связывает выход высокочастотного импульсного генератора 4 (частота f₂) со входом счетчика 5. В блоке сравнения линейнонарастающее напряжение ГЛИНа сравнивается с измеряемым постоянным напряжением U_вх.

Через интервал времени ∆t от начала нарастания напряжение ГЛИНа становится равным измеряемому напряжению (рис. 12.37), т. е. U_вх = S∆t , где S называется крутизной преобразования. В этот момент времени на выходе блока сравнения формируется положительный импульс напряжения u₂, который поступает на вход селектора и прекращает связь между выходом высокочастотного генератора и входом счетчика. Таким образом, в цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени ∆t = U_вх/S, а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов

которое фиксируется цифровым индикатором.

Так как частота f₂ велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям входного напряжения U_вх соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокие чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.

12.16. Светолучевой осциллограф

Для наблюдения и записи кривых, характеризующих периодические изменения электрических и неэлектрических величин (последних — при посредстве измерительных преобразователей, преобразующих неэлектрические величины в функционально зависящие от них электрические величины) при частоте примерно до 5 кГц, широко применяются светолучевые осциллографы. Основные части осциллографа: магнитоэлектрические измерительные механизмы — гальванометры, оптическая система и устройства для фотографирования и визуального наблюдения.

Осциллографические гальванометры, обладающие минимальной инерцией, бывают двух типов: петлевые (рис. 12.38) и катушечные. Ранее изготовлялись только петлевые гальванометры, но при современной приборостроительной технике стало возможным изготовлять легкие подвижные катушки для осциллографов и тем самым существенно повысить чувствительность прибора.

Схема оптической системы дана на рис. 12.39. От яркого источника света 1 через оптическую систему, состоящую из линз 2, диафрагм 3 и призм4, узкий луч света падает на зеркальце 5 подвижной части (в новых осциллографах источником света служат ртутные лампы, свет которых особенно сильно действует на фотоэмульсию). Отразившись от зеркальца, луч фокусируется оптической системой 6 и 8 в виде светлой точки на ленте фотографической бумаги или пленки 7. При наличии в петле (или катушке) гальванометра тока она под действием электромагнитных сил поворачивается и пропорционально повороту смещается светлая точка на фотобумаге. При изменениях тока колебания светлой точки на неподвижной бумаге изобразятся в виде полоски. Чтобы преобразовать эти колебания в кривую зависимости изменений тока от времени, применяется развертка — лента приводится в движение с равномерной скоростью в направлении, перпендикулярном направлению перемещений светового луча.

У большинства осциллографов есть приспособление для непосредственного визуального наблюдения периодически* колебаний. С этой целью часть светового луча после отражения от зеркальца вибратора направляется на вращающийся зеркальный многогранник 9, от которого луч отражается на матовый экран 10 и дает изображение в виде полоски. Если многогранник вращается синхронно с исследуемым периодическим процессом, то определенной фазе процесса в течение каждого его периода будут соответствовать одни и те же углы падения и отражения луча от многогранника. В результате светлая точка будет повторно описывать на экране одну и ту же кривую, что сделает ее доступной для визуального наблюдения.

Для одновременного наблюдения и фотографирования нескольких переменных величин осциллографы снабжаются несколькими гальванометрами (до 24 и более). На зеркальце каждого из этих гальванометров направляется отдельный луч, выделенный из общего луча системой призм и линз. У большинства осциллографов гальванометры можно заменять, их следует выбирать в зависимости от конкретных условий и целей исследования.

Основными характеристиками гальванометра являются частота собственных колебаний и чувствительность по току. Гальванометр записывает без существенных погрешностей процессы, частота которых не больше 0,2 частоты собственных колебаний подвижной части гальванометра (от 500 до 20000 Гц).

Чувствительностью гальванометра по току называется отклонение указателя на экране, измеренное в миллиметрах при токе 1 мА и расстоянии зеркальца от экрана 1 м. Это — величина порядка 1—50 мм/мА в зависимости от типа вибратора. Чем выше чувствительность гальванометра, тем меньше собственная частота измерительного механизма.