3.8 Світлопроменевий осцилограф

Світлопроменеві осцилографи являють собою електромеханічні прилади, призначені для реєстрації та спостережень змінних у часі електричних сигналів за допомогою світлового променя. Вони застосовуються для дослідження процесів з верхньою частотою, яка не перевищує 30 кГц. Перевагою цих приладів є простота побудови, можливість реєстрації великого числа (до 36) процесів.

Основними вузлами найбільш розповсюджених світлопроменевих осцилографів є: магнітний блок з осцилографічними гальванометрами (ОГ), оптична система, пристрій розгортки та відмітник часу.

Побудова та принцип дії світлопроменевого осцилографа пояснюється схемою на рис.3.34.

Тонкий промінь світла за допомогою оптичного пристрою від лампочки Л направляється на дзеркальце осцилографічного гальванометра ОГ. Осцилографічний гальванометр являє собою закріплену на розтяжках мініатюрну рухому рамку магнітоелектричного вимірювального механізму, поміщену в металевий немагнітний кожух з полюсними наконечниками з магнітом’якого матеріалу. Звичайно зовнішній діаметр кожуха дорівнює 6 мм. Така конструкція гальванометра з кожухом та ручкою для встановлення в гнізда магнітного блока називається гальванометром–вставкою. Магнітний блок складається з одного спільного для декількох вставок постійного магніту з магнітопроводом з гніздами для вставок. Таким чином, рамка ОГ знаходиться в сильному магнітному полі постійного магніту.

Промінь світла від дзеркальця ОГ, проходячи через призму П, розділяється на два, один з них потрапляє на фотоплівку, яка рухається із швидкістю V, а другий – спочатку на гранований дзеркальний барабан розгортки РБ, а потім – на матовий екран Е. При протіканні струму і, зв’язаного з досліджуваним процесом, через рамку ОГ, вона відхиляється. Ці відхилення фіксуються на фотоплівці ФП і спостерігаються на екрані Е. Стрічкопротяжний механізм для фотоплівки і дзеркальний барабан приводяться в рух двигуном.

Рисунок 3.34

В деяких світлопроменевих осцилографах екран для спостереження за процесом відсутній. В таких осцилографах здійснюється тільки реєстрація процесів на фотоносії.

Для вибору масштабу часу застосовуються спеціальні відмітники часу, за допомогою яких на носій наносяться мітки через певні інтервали часу. Інтервали між мітками на носієві залежать від швидкості руху носія V, яка задається двигуном з редуктором. При наявності багатоступеневого редуктора можна вибрати швидкість носія, обертання дзеркального барабана та частоту міток, відповідні частоти досліджуваного сигналу.

В даний час з’явились світлопроменеві осцилографи, у яких замість ОГ використовуються мініатюрні електронно-променеві трубки. Це дозволяє реєструвати процеси з широким частотним спектром (до 100 кГц). Прикладом такого осцилографа може служити осцилограф типу НО63. У ньому є сім ЕПТ, одна з яких використовується для одержання міток часу. Недолік такого осцилографа – низька чутливість (0,14 мм/В).

Контрольні питання

1. Наведіть узагальнену структурну схему електронного вольтметра постійного струму і поясніть функціональні призначення кожного елемента цієї схеми.

2. Наведіть структурні схеми вольтметрів змінних напруг (детектор-підсилювач і підсилювач-детектор). Наведіть порівняльну характеристику цих схем (за чутливістю і частотним діапазоном).

3. Які детектори застосовуються в амплітудних (пікових) вольтметрах?

4. Наведіть структурну схему і поясніть принцип дії амплітудного вольтметра. За якою структурною схемою реалізовано даний засіб вимірювання?

5. Структурна схема, принцип дії електронного вольтметра діючих значень. Виведіть рівняння перетворення для даного вольтметра.

6. Поясніть суть методу заряду-розряду конденсатора.

7. Структурна схема, принцип дії, часові діаграми роботи електронного конденсаторного частотоміра. Виведіть рівняння перетворення.

8. Структурна схема, принцип дії, часові діаграми роботи електронного фазометра. Виведіть рівняння перетворення для такого фазометра.

9. Наведіть схему моста Уітстона. Виведіть умову рівноваги для мостів постійного і змінного струму.

10. Які мостові схеми застосовують для вимірювання активних опорів? Галузь застосування одинарних і подвійних мостів.

11. Які ви знаєте схеми заміщення конденсатора?

12. Наведіть методику виведення умови рівноваги мостів для вимірювання ємності конденсатора.

13. Наведіть дві схеми вимірювання індуктивності: зрівноваження змінною індуктивністю; зрівноваження змінною ємністю.

14. Структурна схема, принцип дії і галузь застосування автоматичного моста постійного струму.

15. Дві схеми компенсації напруги. Переваги компенсаторів порівняно з іншими засобами вимірювання електричних величин.

16. Структурна схема і принцип дії компенсатора постійного струму.

17. Структурна схема і принцип дії компенсатора змінного струму.

18. Які ви знаєте сучасні підходи до побудови електронних лічильників електричної енергії?

19. Поясніть принцип одержання нерухомого зображення на екрані електронно-променевої трубки.

20. Наведіть структурну схему електронно-променевого осцилографа. Розкрийте призначення кожного блока осцилографа.

21. Який елемент виконує функції розгортки? Покажіть форму сигналу на виході генератора розгортки.

22. Наведіть методику вимірювання тривалості імпульсу, періоду, частоти, різниці фаз, амплітуди за допомогою осцилографа.

23. Наведіть структурну схему і поясніть принцип дії світлопроменевого осцилографа.

24. Який елемент виконує функції розгортки в цьому осцилографі?

25. До якої системи електромеханічних вимірювальних перетворювачів відносять осцилографічний гальванометр?

26. Які переваги і недоліки світлопроменевого осцилографа порівняно з електронно-променевим?

Розділ IV ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Цифровими називаються такі вимірювальні прилади, в яких вимірювана величина автоматично в результаті квантування, дискретизації, порівняння, цифрового кодування і відповідних обчислень постає у вигляді коду.

4.1. Квантування і дискретизація. Похибки цифрових вимірювальних приладів

Принцип роботи цифрових вимірювальних приладів (ЦВП) засновано на дискретному відображенні неперервних величин. Неперервна величина Х(t) - це величина, яка може мати в заданому діапазоні Д нескінченно велике число значень в інтервалі часу t при нескінченно великому числі моментів часу (рис.4.1, а). Величина може бути неперервною або за значенням, або у часі.

а) б)

в) г)

д)

Рисунок 4.1

Величина, неперервна за значенням і перервна у часі, називається дискретизованою (рис.4.1, б). Значення дискретизованої величини відрізняється від нуля тільки в певні моменти часу.

Процес перетворення неперервної у часі величини в дискретизовану шляхом збереження її миттєвих значень тільки в детерміновані моменти часу t₁, t₂,…t_n називається дискретизацією.

Кроком дискретизації Т_Д називається проміжок часу між двома сусідніми миттєвими значеннями сигналу.

Величина, неперервна в часі і перервна за значенням, називається квантованою (рис.4.1, в).

Вимірювальне перетворення аналогової величини у ступінчасто-змінювану із заданими розмірами квантів називається квантуванням.

Кроком квантування h називається різниця між двома сусідніми заданими значеннями квантованої величини. Крок квантування може бути змінним або постійним.

Неперервна величина може бути дискретизованою в часі і квантованою за значенням (рис.4.1, г, д). Аналогова величина Х(t) після квантування за рівнем і дискретизацією у часі в ЦВП обмежується кількістю значень цифрового відлікового пристрою. Як наслідок, у результаті квантування і дискретизації втрачається інформація, що є причиною виникнення похибок квантування і дискретизації.

Основні похибки цифрових вимірювальних приладів складаються з похибки квантування X_k, дискретизації X_д і інструментальної X_і :

. (4.1)

Похибка квантування X_k - це методична похибка, що виникає через обмежене число рівнів квантування h внаслідок заміни неперервної величини квантованою:

. (4.2)

Похибка X_k належить до статичних. У процесі вимірювання фізичної величини виникає і динамічна похибка, що дорівнює різниці між вихідним кодом приладу і дійсним значенням вимірюваної величини в момент часу, який розглядається (за умови, що статична похибка дорівнює нулю). Динамічна похибка, зумовлена обмеженим часом вимірювання T_вим = T_Д, протягом якого вимірювана величина може значно змінюватися.

Динамічна похибка – це похибка, що виникає внаслідок зміни вимірюваної величини під час вимірювань:

, (4.3)

де - крок дискретизації; - швидкість зміни вихідної величини.

З цього виразу випливає, що динамічна похибка обмежує швидкість зміни вимірюваної величини.

Похибки, пов’язані або викликані порогом чутливості пристрою порівняння або його нестабільністю, похибки від впливу завад на елементи цифрових вимірювальних приладів складають інструментальні похибки .