Осциллографы

Исследование быстропеременных процессов осуществляется с помощью осциллографов. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение и изменение их во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф, при применении соответствующих преобразователей, позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени,  кратковременные давления и т.д.

Цифровые приборы

В настоящее время получили широкое распространение цифровые приборы.  Под цифровыми электроизмерительными приборами понимают приборы непосредственной оценки, основанные на принципе кодирования измеряемой величины, благодаря чему осуществляется ее дискретное представление. Эти приборы являются наиболее совершенным видом электроизмерительных устройств. Процесс измерения в них полностью автоматизирован, а дискретная система отсчета исключает возможность внесения ошибок в результат измерений.

Важнейшим достоинством цифровых приборов является наличие у них кодового выхода, что дает возможность регистрировать результат измерений с помощью цифропечатающих устройств и использовать эти результаты для ввода в ЭВМ для последующей обработки.

Разновидностью цифровых приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых входной аналоговый сигнал в результате квантования и цифрового кодирования автоматически преобразуется в дискретную форму и выдается на выходе в виде кода. Аналого-цифровые преобразователи отличаются от цифровых приборов повышенным быстродействием и отсутствием отсчетного устройства.

Цифро-аналоговые преобразователи совершают обратное преобразование, при котором входной дискретный сигнал в результате декодирования автоматически преобразуется в аналоговую форму и выдается на выходе прибора в виде непрерывного сигнала.

Кроме того, к цифровым приборам относятся:: вольтметры постоянного и переменного тока; омметры постоянного тока и мосты переменного тока;  частотомеры и счетчики импульсов; комбинированные приборы, предназначенные для измерений нескольких параметров; специализированные приборы, предназначенные для измерения мощности, фазы, магнитного потока, магнитной индукции, а также некоторых неэлектрических параметров (расстояние, масса, скорость).

Регистрирующей частью цифровых приборов являются индикаторные неоновые лампы. Внутри каждой лампы имеется десять электродов из тонкой проволоки, выполненных в виде цифр и один общий электрод. В зависимости от величины исследуемого сигнала, напряжение подается на один из цифровых электродов, что вызывает свечение неона вблизи него.

На панели прибора расположено несколько таких ламп по числу значащих цифр измеряемой величины.

По роду  измеряемого тока различают: приборы постоянного тока, переменного  и обоих родов. Род тока также указывается с помощью условных обозначений на лицевой стороне прибора.

По степени точности измерения принято деление на восемь клас­сов. Класс точности   γ = εпр∙100% , где εпр - приведённая погрешность измерения. Приведенной погрешностью εпр называется отно­шение абсолютной погрешности  Δα к предельному значению измеря­емой величины α m,    т.е. к наибольшему её значению, которое мо­жет быть измерено прибором.

                            εпр= Δα/ α m                                            (9)

Класс точности обозначается на лицевой стороне прибора числами:

0,05; 0.1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Эти числа указывают ве­личину возможной относительной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора на всю шкалу. Абсолютная погрешность Δα  опреде­ляется из соотношения (9):

Δα=εп α m                                                                                                       (10)          

По степени защищённости от внешних полей  приборы подразделя­ются на три категории, которые обозначаются римской цифрой  или другим знаком на лицевой стороне прибора.

Расширение пределов измерения физической величины прибором

Важной характеристикой электроизмерительного прибора является его внутреннее сопротивление Кдр , которое обычно приводится на лицевой стороне прибора.

Цена деления определяет значение измеряемой прибором физичес­кой величины, которое вызывает отклонение стрелки прибора на од­но деление шкалы.

Амперметр включается в цепь последовательно, а для расширения предела измерений амперметра в n раз к нему параллельно присое­диняют

проводник, называемый шунтом.

Сопротивление шунта Rш мо­жно рассчитать по формуле

,

где RA.  - внутреннее сопротивление амперметра, a n - число, по­казывающее, во сколько раз возрастает предел измерения и, следо­вательно, цена деления прибора.

Вольтметр включается  в цепь  параллельно, а для увеличения предела измерений  вольтметра в n раз последовательно с измери­тельной системой прибора включается добавочное сопротивление Rд.  

Добавочное сопротивление определяется по формуле:

Rд=RB(n-1),

где  RВ - внутреннее сопротивление вольтметра.

Очень часто приборы, используемые в лабораторном практикуме, снабжаются набором шунтов и добавочных сопротивлений, вмон­тированных в корпус прибора, которые можно  легко менять в про­цессе работы, производя переключения на самом приборе. Многопредельный прибор такого типа заменяет несколько однотипных прибо­ров с различными интервалами измерения. Для определения цены де­ления нужно выбранный с помощью переключателя предел  измерения прибора αm разделить на число делений шкалы прибора No.  Каждому пределу измерения соответствует своя цена деления.

Для определения измеряемой величины  α нужно отсчет N , взя­тый по шкале прибора, умножить на цену деления. Таким образом,

С изменением предела прибора меняется и величина абсолютной погрешности, допускаемой при измерениях этим прибором.

Проведение эксперимента

1.                 Изучите электроизмерительные приборы, используемые в рабо­те, и запишите их паспортные данные.

2.                 Соберите цепь по схеме рис. I и найдите сопротивление Rx´ каждого из двух предложенных вам резисторов.

3.                 Определите значение измеряемого сопротивления  Rx по фор­муле  (2).

4.                 Рассчитайте абсолютные ΔRx  и системати­ческие относительные погрешности δ по формулам (3) и (4).

5.                 Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

6.                  Соберите цепь по схеме рис. 2 и найдите сопротивление Rx´ каждого из двух предложенных вам резисторов.

7.                 Определите значение измеряемого сопротивления  Rx по фор­муле  (6).

8.                 Рассчитайте абсолютные ΔRx  и системати­ческие относительные погрешности δ по формулам (7) и (8).

9.                 Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

10.            Выберите, какая из схем даёт минимальную  систематическую погрешность измерения  δ для каждого из данных сопротивлений

11.            По классу точности вольтметра и амперметра вычислите абсолютную ΔR и относительную ε ошибки, обусловленные неточностями  измерительных приборов, используемых в работе. От­носительная погрешность

,                                       (11)

где Δ U и ΔI - абсолютные погрешности, вычисленные по форму­ле (10), а U и I - измеренные значения напряжения и тока.   Из формулы (11) найдите абсолютную ошибку Δ R = ε∙Rx

12.             Запишите окончательное значение сопротивления резисторов в виде:

R= Rx±ΔR.

Контрольные вопросы

1.                 Как классифицируются электроизмерительные приборы по назначению и принципу действия?

2.                 Каков принцип работы приборов магнитоэлектрической, электромагнитной системы и цифровых приборов?

3.                 Расшифруйте условные обозначения, наносимые на приборы.

4.                 Как рассчитать по классу точности прибора абсолютную и относительную погрешности измерений?

5.                 Как определить цену деления шкалы прибора?

6.                 Правила расчета шунтов и добавочных сопротивлений.

7.                 Расскажите о методе измерения сопротивления резисторов с помощью амперметра и вольтметра путем использования двух возможных схем.

8.                 Какие еще методы измерения сопротивления вы знаете, в чем их преимущества и недостатки?

9.                 Как рассчитать ошибки, вносимые схемой в результаты измерения, и как выбрать оптимальную схему, по которой следует производить измерение данного сопротивления?

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1.                 Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

2.                 Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

3.                 Справочник по электро-измерительным приборам. Под ред. К.К. Илюнина-Л.: Энергоатомиздат, 1983г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы:

Ознакомиться с устройством и работой электрон­ного осциллографа и некоторыми его применениями.

Идея эксперимента

Электронный осциллограф  предназначен для исследования перио­      дических и импульсных  электрических процессов. С помощью осциллографа можно измерять напряжение, наблюдать изменение фазы  ко­лебаний, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных на­пряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать и неэлектрические процес­сы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д.

Достоинствами  электронного осциллографа являются его высокая чувствительность и беэынерционность действия, что позволяет  ис­пользовать его в исследовании быстропротекающих процессов.

Теоретическая часть

Блок-схема электронного  осциллографа приведена на рис. I. Основными узлами осциллографа являются: электронно-лучевая  трубка (ЭЛТ), генератор

развёртки, усилители  исследуемого  сигнала  по вертикали У  и горизонтали   X, синхронизирующее  устройство, де­литель напряжения, блок питания, который включает в себя ряд устройств для обеспечения энергией ЭЛТ,  генератора развертки, усилителей.

Электронно-лучевая трубка (рис.2) внешне напоминает стеклянную колбу,из которой выкачан воздух до давления порядка 10-6 мм. рт. ст. Внутрь трубки впаяны электроды: нить накала 1, катод 2, цилиндр 3, являющийся управляющим электродом, первый и второй аноды 4 и 5 и две пары взаимно-перпендикулярных отклоняющий пластин 6 и 7

Электроны, вылетевшие из катода 2 под разными углами к его поверхности,  попадают в электрическое поле управляющего электрода 3. Этот электрод имеет форму цилиндра и обладает положительным потенциалом. Под действием сил  электрического поля  поток электронов сжимается и направляется в отверстие  цилиндра. Так формируется электронный  пучок. Интенсив­ность пучка и, следовательно, яркость светящегося пятна на экра­не можно регулировать  изменением  потенциала цилиндра с помощью потенциометра  R1,  ручка которого имеет маркировку ЯРКОСТЬ.

После управлявшего  электрода электронный  поток  попадает в электрическое поле первого анода 4, представляющего собой, как и управляющий электрод, цилиндр, ось которого совпадает с осью ЭЛТ. Поперёк его оси расположено  несколько перегородок - диафрагм  с отверстием в центре. На первый анод подаётся положительное отно­сительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это по­ле ускоряет электроны в пучке  и  благодаря своей  конфигурации сжимает электронный  пучок. Изменяя напряжение на первом аноде, можно фокусировать пучок электронов, поэтому ручка потенциометра Р3 имеет маркировку ФОКУС. Второй анод 5 представляет собой ко­роткий цилиндр с отверстием в центре. Его располагают непосред­ственно за первым анодом и подают на него более высокое (1-5 кВ) положительное  напряжение, в результате чего электроны  получают ускорение. Система электродов: катод - управляющий  электрод - первый анод - второй анод, образует так называемую  электронную пушку.

Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами  металлических пластин 6 и 7. Если к любой паре  пластин приложить  разность потенциалов, то электронный луч будет откло­няться в вертикальном или горизонтальном направлении. Под дей­ствием положительного напряжения  Ux  след электронного луча сме­щается на величину x  в горизонтальном направлении, а под дей­ствием напряжения Uy - на величину y  в вертикальном направле­нии. Величины

                                           (1)

называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и У. Чувствительность к напряжению показы­вает величину  отклонения электронного луча на экране (в мм) при разности  потенциалов на пластинах в I В. При постоянном анодном напряжении величины jx и jy для данной ЭЛТ постоянны.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16