Цель работы:

1) Изучить физические основы регистрации и измерения электромагнитных величин, характеристики электроизмерительных приборов и предъявляемые к ним требования.

2) Ознакомиться с устройством и работой электронно-лучевого осциллографа.

Контрольные вопросы:

1. Требования, предъявляемые к измерительным приборам.

2.Какие Вы знаете системы электромеханических приборов?

3.Каковы преимущества электронных цифровых измерительных приборов в сравнении с электромеханическими измерительными приборами?

4.Каковы основные логические блоки электронных цифровых вольтметров, их назначение.

5.Каковы основные логические блоки электронных цифровых частотомеров, их назначение.

6.Какие параметры сигналов можно определять с помощью осциллографа и в чем его отличие от остальных приборов?

7.Каким образом можно проверить точность измерительного прибора, например осциллографа?

1. ВВЕДЕНИЕ

Любой физический прибор - это устройство для наблюдений, измерений, обработки и представления информации в цифровой форме.

При изучении электричества и магнетизма используются электроизмерительные приборы, которые необходимо рассматривать как средства, расширяющие область восприятия человеком электромагнитных явлений. Под электроизмерительными приборами понимаются приборы различных систем, измеряющие такие величины, как величину тока, напряжение, заряд, частоту тока, разность фаз, сопротивление, электроемкость, индуктивность и т.д.

Простейшими электроизмерительными приборами являются электромеханические приборы. Это приборы, основанные на механическом перемещении подвижной части прибора со стрелкой или зеркалом под действием электрических или электромагнитных сил. В передовых технологических процессах электромеханические приборы практически полностью вытеснены современными электронными измерительными приборами.

К электромеханическим приборам относятся приборы магнитоэлектрической (рис.1А), электромагнитной (рис.1В), электродинамической (рис. 1С), электростатической (рис.1D) и тепловой систем (рис.1Е)

Вприборах электромагнитной системы железный сердечник втягивается в катушку электромагнита при пропускании по ней электрического тока .

Вприборах электродинамической системы используются две катушки. Одна неподвижная катушка создает магнитное поле, другая вращается на оси, приводя в движение стрелку. К приборам этой системы относятся индукционные приборы. Индукционными называются приборы, состоящие из одной или двух неподвижных катушек и алюминиевой пластинки. При прохождении по катушкам переменного тока в пластинке наводятся индукционные токи, взаимодействие которых с магнитным полем катушек приводит к смещению катушки. На таком принципе работают счетчики электроэнергии.

К приборам электростатической системы относятся приборы, в которых используется взаимодействие между зарядами. К ним относятся учебные приборы - электроскоп, электрометр, а также промышленные и научные электрометры для измерения высоких напряжений.

В тепловых приборах используется явление выделения теплоты в проводнике, по которому течет ток.

1.1. Основные характеристики электроизмерительных приборов

Все характеристики прибора электромеханической системы, как правило, указаны на его шкале: 1) система прибора (принцип действия); 2) пределы измерения; 3) класс точности; 4) цена деления; 5) чувствительность.

Основные характеристики электронных приборов указываются в его паспорте. Шкала прибора характеризуется минимальным и максимальным значениями шкалы, которые определяют диапазон измерений прибора. Класс точности K - это отношение абсолютной погрешности прибора ∆X п к наибольшему значению величины X max , которое может быть

измерено прибором. Класс точности выражается в процентах:

K= ∆X п 100%

X max

Рис. 1. А,В,С) 1 - шкала прибора; 2 - стрелка на оси 5 с двумя пружинами 3 и 4 (или одной пружиной), к которым подводится измеряемый ток 1, 6- ротор (подвижная катушка в случаях А,С и ферромагнитный сердечник в случае В); 7 - статор в виде постоянного магнита или электромагнита (неподвижной катушки с током). D) 1 - шкала прибора; 2 - источник светового луча, выполняющего роль стрелки; 3 - растяжка; 4 - квадрант; 5 - магнитоиндукционный демпфер; 6 - зеркальце; 7 - ротор – подвижная алюминиевая пластинка. E) а) 1 - шкала прибора; 2 - стрелка, связанная с упругой растяжкой 4; 3 - проволока; b,с) 1 - проволока; 2 - термопара в контакте с проволокой, которая не обязательно с ней соединяется непосредственно (случай с); 3- микровольтметр, измеряющий термоэдс.

Абсолютная погрешность прибора ∆X п = K 100X max является постоянной для данного прибора и не зависит от измеряемой величины.

Чувствительностью S прибора называют отношение величины показания шкалы n к измеряемому значению X , вызвавшему отсчет шкалы:

S = Xn

Ценой деления C прибора называют величину обратную чувствительности. Эта величина определяет значение измеряемой величины, вызвавшей отклонение на одно деление. Например, шкала 0 - 300 мкА имеет 60 делений. Следовательно, цена деления 300 мкА/60 = 5 мкА/дел, чувствительность S = 0,2 дел/мкА.

При проведении эксперимента следует учитывать точность измерений, которую определяют величиной относительной погрешности

ε = ∆XX i

где ∆Xi - абсолютная погрешность измерения, равная сумме абсолютной погрешности отсчета ∆X o и абсолютной погрешности прибора ∆X п : ∆Xi = ∆X o +∆X п . Обычно принимают, что ∆X o = 0,5 C .

Рассмотрим, например, вольтметр с пределом измерения 100 В и шкалой, имеющей 50 делений, который применяют для измерения напряжений 10 В и 80 В. Если класс точности прибора 0,5, тогда имеем

∆X п = 0,5100100 = 0,5 В, ∆Xo = 0,550100 =1В, ∆Xi = ∆X o +∆X п =1,5 В.

Итак, при измерении данным прибором электрического напряжения величиной 10 В

получаем ε = 11,05100 =15% . При измерении данным прибором 80 В имеем ε = 180,5100 ≈ 2% .

Таким образом, всегда точность измерения выше, если отсчет производят на второй половине шкалы данного прибора. Это условие справедливо для любой измерительной системы.

1.2. Требования, предъявляемые к измерительным приборам

Первое требование: прибор не должен вносить заметных искажений в исследуемый участок цепи. Например, необходимо измерить падение напряжения U на участке АВ электрической цепи с резистором R (рис.2а), по которому протекает ток i.

Рис.2.Вольтметр на участке измеряемого напряжения.

При подключении вольтметра V (рис.2b) через резистор потечет ток i1 не равный прежнему значению тока i, так как теперь ток будет проходить и через вольтметр. В этом случае измеряемое напряжение Uv будет отлично от напряжения при отсутствии вольтметра. Чтобы влиянием вольтметра можно было пренебречь, необходимо выполнение следующего условия - внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления исследуемого участка, при таком условии i2«i1 и i1 ≈ i, а Uv ≈ U.

Второе требование: система прибора должна соответствовать условиям измерений.

Например, приборы тепловой системы не могут обеспечить требуемую точность измерений в условиях резкого изменения температуры в окружающей среде. Приборы электромагнитной системы нельзя применять вблизи сильного источника магнитного поля; прибор магнитоэлектрической системы нельзя располагать на магнитном материале (стальном листе) и т. д.

Третье требование: чувствительность прибора должна обеспечивать требуемую точность измерений. Обычно чувствительность приборов контролируют и определяют путем регистрации эталонного (калибровочного) сигнала и сопоставления измеряемого сигнала с эталонным.

Современные приборы - это электронные цифровые приборы, в которых электрический, магнитный или электромагнитный сигналы, равным образом и сигналы иной природы, определенным образом преобразуются в информационный электрический сигнал, формирующий значение измеряемой величины в цифровой форме. Точность электронных приборов на несколько порядков выше электромеханических.

Все электромеханические приборы представляют собой преобразователи электрических сигналов в механический сигнал перемещения стрелки, которая определяет на шкале прибора значение измеряемого электрического параметра. Обобщенная структура прибора электромеханической системы представлена на рис.3а.

Рис. 3. а) Структурная схема прибора электромеханической системы: Рm - блок преобразования электрического сигнала Е в механический сигнал М; S - шкала прибора;

b) Структурная схема электронного измерительного прибора: Ре - блок преобразования электрического сигнала Е (или сигнала иной природы) в электрического сигнал Е; Т - цифровое табло.

В современном производстве и технологических процессах, а также научных исследованиях используются только электронные измерительные приборы (рис.3b), которые практически безинерционны: они в состоянии контролировать и измерять быстро текущие процессы, что совершенно недоступно электромеханическим приборам. На рисунках 4 и 5 представлены схемы электронных вольтметров.

Рис. 4. Структурная схема электронного цифрового вольтметра и диаграммы напряжений. U - измеряемое напряжение; 1 - входной блок масштабного преобразования напряжения: u = kU ; 2 - преобразователь «напряжение-время»; 3 -измеритель временного интервала ∆t , пропорционального измеряемому напряжению U ; Tk - длительность

счетного импульса; m -число импульсов, определяющих временной интервал: ∆t =Tk m ; T - блок цифровой индикации (информации); 1,2). U g - напряжение генератора, определяющее напряжение u 3) прямоугольный импульс напряжения длительности ∆t .

Рис.5. Структурная схема электронного цифрового вольтметра с преобразователем «напряжение-частота»: f =ηkU ; 1 - входной блок; 2- преобразователь «напряжение-

частота»; 3 - измеритель частоты; Т - блок цифровой индикации.

Современные электронные вольтметры - приборы комбинированные: они измеряют не только напряжения, но и токи, температуры и.т. д. Основные блоки электронных вольтметров входят в качестве составных элементов в электронные мосты, измеряющие активное и реактивное сопротивления, электроемкость и индуктивность.

Частота в цепях определяется с помощью электронных частотомеров. Структурная схема электронного частотомера представлена на рис.6.

Рис.6 а) Структурная схема электронного цифрового частотомера. 1 - входной блок с каналом А измерения частоты и каналом В измерения периода; 2- блок преобразования входного периодического сигнала в импульсную последовательность, период которой равен периоду исследуемого сигнала; 3 - блок сравнения калиброванных периодов с периодами импульсной последовательности и счета импульсов N; 4 - блок индикации; в) диаграммы сигналов.

При измерении частоты, исследуемый синусоидальный сигнал подается на вход А. Блок преобразования 2 преобразует входной сигнал в импульсную последовательность (рис.6в) с периодом входного сигнала Tx . В блоке 3 сравнения импульсы последовательности

сравниваются с импульсом калиброванной длительности Tk . При этом на вход счетчика блока индикации 4 поступает N импульсов, однозначно определяющих измеряемую частоту.

При измерении периода Tx сигнал подается на вход В и преобразуется в последовательность импульсов той же частоты. Принцип измерения периода исследуемого сигнала Tx заключается в определении числа импульсов с калиброванным периодом T0 , который укладывается N раз в исследуемом периоде: Tx = N T0 .

Сегодня современная электронная промышленность выпускает в значительных количествах электронные мультиметры - это комбинированные приборы, которые измеряют в широком диапазоне целый ряд электрических параметров токов и цепей.

2. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА И ЦЕПЕЙ

2.1 Электронный осциллограф

Прибор, отображающий визуально процесс изменения регистрируемого электрического сигнала во времени, называют осциллографом. Этот прибор наиболее полно обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к измерительным приборам при регистрации электрических параметров в различных условиях эксперимента.

Основным элементом системы осциллографа является вакуумная электроннолучевая трубка (ЭЛТ), которая позволяет практически без искажения наблюдать и измерять параметры быстро меняющегося электрического сигнала с помощью малоинерционного электронного пучка (рис.7).

Рис.7. Структурная схема электронного осциллографа. X -канал с входным масштабирующим блоком Vx и усилителем Usx; Y - канал с с входным масштабирующим блоком Vy и усилителем Usy; Bs - внешняя синхронизация исследуемого сигнала; Bos - внутренняя синхронизация исследуемого сигнала; Ка - калибратор амплитуды сигнала; Kd -калибратор длительности; Э - электроннолучевая трубка (ЭЛТ); М - модулятор управления яркостью луча; К - катод; Н - нить накала; А1, А2- аноды; Пх - горизонтально отклоняющие пластинки; Пу -вертикально отклоняющие пластинки; Ef - экран ЭЛТ, покрытый веществом, которое способно светиться под действием падающих на экран электронов (катодолюминесценция).

2.2Устройство и принцип работы электроннолучевой трубки

Стеклянная колба ЭЛТ откачана до высокого вакуума. Торец трубки покрыт люминицирующим веществом, которое начинает светиться при попадании на него электронов. Источником электронов является катод К, подогреваемый нитью накала Н (явление термоэлектронной эмиссии). Катод имеет отрицательный потенциал. Управляющий

электрод (модулятор) М цилиндрической формы, также отрицательно заряженный, сжимает (фокусирует) выходящий из катода электронный пучок. Изменяя величину потенциала на модуляторе, можно регулировать количество проходящих электронов, а значит и яркость пятна на экране.

Аноды A1 и А2 , имея положительный потенциал, создают поле, ускоряющее движение электронов в направлении экрана. Вместе с модулятором аноды являются еще и электростатическими линзами. Меняя потенциалы на этих элементах, можно регулировать сходимость электронного пучка и добиваться наилучшей фокусировки пятна на экране. В типовых ЭЛТ потенциал первого анода делают равным U1=+(250-500) В, а потенциал второго анода доводят до U2 =+(1000-2000) В. Две пары пластин Пх и Пy (Х- и У- отклоняющие) смещают пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В лаборатории имеется компьютерная программа "ЭЛТ", которая наглядно иллюстрирует принцип действия электроннолучевой трубки и работу ее элементов.

2.3Общая схема и принцип действия осциллографа

Обобщенная структурная схема электронного осциллографа (ЭО) представлена на рис.7. Основными функциональными узлами ЭО являются: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ); Y- канал вертикального отклонения луча с входным устройством Vy , усилителем вертикального отклонения Usy, калибратором амплитуды сигнала Ка; канал горизонтального отклонения луча X с входным устройством Vx , усилителем горизонтального канала Usx , генератором развертки Gp; канал внешней Bs и внутренней Bos синхронизации.

Для ослабления и усиления сигналов служат входные устройства Vx и Vy каналов X и У, а также усилители Usx и Usy. Измерение параметров электрического сигнала осуществляется как по шкалам входных устройств каналов X и У , так и с помощью калибраторов длительности и амплитуды Kd и Ка. Канал X обеспечивает развертку луча по горизонтали и синхронизацию внешнюю Bs и внутреннюю Bos исследуемого сигнала, формируемого генератором развертки Gp.

Если на вход У подано исследуемое напряжение U y (t) , то координата y светящегося на

экране пятна, возбужденного электронным лучом, в любой момент времени пропорциональная исследуемому напряжению:

Коэффициент пропорциональности Sy называется чувствительностью осциллографа по оси

У. Чувствительность измеряется в мм/В или см/В и показывает, на сколько миллиметров или сантиметров отклоняется светящееся пятно вдоль оси у при подаче на вход У напряжения в 1 Вольт. Обычно на шкале канала У указывается не чувствительность Sy , а величина ей

обратная, называемая ценой деления или постоянной отклонения Cy :

Постоянная отклонения измеряется в В/дел (Вольт на деление оси У); если деление равно сантиметру, тогда цена деления измеряется в В/см. Если на вход X подано напряжение Ux (t) , то для координаты x светящегося пятна аналогично имеем:

Уравнения (1) и (3) полностью описывает движение электронного луча на экране ЭО.

Для получения на экране ЭО кривой исследуемого напряжения U y (t) в прямоугольной системе координат необходимо, чтобы горизонтально отклоняющее напряжение Ux (t) изменялось в течение некоторого времени по линейному закону:

Тогда для любого времени t координату x светящегося пятна можно найти из выражения:

нетрудно видеть, что координаты x и y изображения связаны между собой той же функциональной зависимостью, какой исследуемое напряжение U y связано со временем t . Постоянные Cy и Cx определяют лишь масштаб изображения.