Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями проведения поверки и получить конкретное задание у преподавателя

2. Собрать схему проведения эксперимента и предоставить на проверку преподавателю

3. Произвести поверку прибора различными методами, результаты эксперимента и расчетов занести в таблицы 1.1, 1.2 и 1.3

4. Выполнить на одной координатной оси графики зависимости абсолютной и относительной погрешности от показаний приборов для различных методов поверки.

5. По результатам проведенных экспериментов и выполненных расчетов сделать выводы о состоянии поверяемых приборов и эффективности методов поверки

6. Расширить предел измерения амперметра магнитоэлектрической системы с пределом измерения 0,5 А - 3 А.

7. Расширить предел измерения вольтметра магнитоэлектрической системы с пределом измерения 3 В - 150 В.

8. Примечания. а) измерение внутреннего сопротивления амперметра и вольтметра произвести мостом постоянного тока;

б) перед началом выполнения работы необходимо определить сопротивление соединительных проводов.

9. Собрать схему (рис.1.4).

Рисунок 1.4 Схема включения приборов для проверки работоспособности

10. В схему (рис.1.4) подключить приборы с новыми пределами и проверить их работоспособность, а именно:

а) выставить 0,6 А; 1 А; 1,5 А и определить их относительную погрешность измерений;

б) подобрать шунты для максимального использования шкалы на токи, установленные в пункте а), и определить относительную погрешность измерения;

в) определить цену деления приборов до и после расширения пределов измерения.

Таблица 1.1

Результаты поверки прибора методом сличения

Показания поверяемого прибора, Хд	Показания образцового средства измерения:				Погрешность:
						относительная, 	приведён ная, 	вариация, в
	при увеличении Хизм ув	при уменьшении Хизм ум	среднее значение Хизм ср	абсолютная, хум
в единицах измеряемой величины						%	%	%

Содержание отчета

1. Схема проводимого эксперимента

2. Результаты эксперимента и расчетов в виде таблицы

3. Схема измерительного механизма с шунтом

4. Расчет величины шунта и сопротивления соединительных проводов

5. Схема измерительного механизма с добавочным резистором

6. Расчет величины добавочного резистора и сопротивления соединительных проводов

Контрольные вопросы

1. Назначение шунтов и добавочных сопротивлений, схемы включения.

2. Параметры шунтов и добавочных сопротивлений.

3. Методика расчета масштабных преобразователей данного типа.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2

Исследование работы осциллографа. Метрология осциллографических измерений. Оценка погрешностей результатов измерений

Цель работы: ознакомиться с принципом действия осциллографа, исследовать характеристики прибора и принцип получения изображения на экране осциллографа, получить навыки в проведении измерений осциллографом. Ознакомиться с метрологией осциллографических измерений, научиться производить оценку погрешностей результатов измерений.

Оборудование: осциллограф, генератор сигналов

Краткие теоретические сведения

Принцип работы осциллографа. Осциллограф это прибор, предназначенный для исследования и регистрации электрических процессов. Блок-схема (рис.2.1) простейшего осциллографа состоит из следующих элементов:

одним из основных элементов осциллографа является электронно-лучевая трубка, в которой узкий пучок летящих электронов проходит через две пары пластин (пластины “Х” и пластины “Y”) и вызывает свечение экрана. Пластины “Х” и пластины “Y” расположены перпендикулярно друг другу. Если подавать на эти пластины напряжение, луч опишет на экране кривую, называемую осциллограммой;

Рисунок 2.1 Блок-схема простейшего осциллографа.

- для получения осциллограмм, изображающих зависимость напряжения от времени, необходим генератор горизонтальной развертки. Это генератор пилообразного напряжения, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины “Х” и может меняться по амплитуде и частоте;

- амплитуда исследуемого сигнала часто бывает мала. Для увеличения сигнала предусмотрен усилитель вертикального отклонения, а для обеспечения необходимой ширины изображения – усилитель горизонтальной развертки;

- в результате целого ряда причин частота сигнала не вполне стабильна. Из-за этого осциллограмма становится неустойчивой. Для исключения неустойчивости генератор горизонтальной развертки связывают с исследуемым сигналом, заставляя его работать синхронно с изменениями исследуемого сигнала. Эту функцию в осциллографе выполняет блок синхронизации. Исследуемый сигнал можно подавать либо непосредственно на пластины “Х” или “У”, либо через вертикальный и горизонтальный усилители.

Электронно-лучевая трубка

 

Рисунок 2.2 Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением состоит из вакуумной колбы цилиндрической формы с расширением к одному концу в виде конуса (рис.2.2). Почти плоское основание конуса покрыто слоем люминофора. Это экран трубки Э. Электроны, вылетевшие с катода под разными углами к его поверхности, попадают в электрическое поле цилиндра М, окружающего катод (модулятора), или, как его еще иначе называют, управляющего электрода, имеющего отрицательный потенциал относительно катода. Этим полем, поток электронов сжимается и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно и яркость светящегося на экране пятна можно регулировать с помощью потенциометра R₁, т.к. поле управляющего электрода помимо сжимающего действия на поток электронов оказывает еще и тормозящее действие. При достаточно большом отрицательном потенциале модулятора можно совсем “погасить” пучок. После модулятора электронный пучок попадает в электрическое поле первого анода, или, как его еще называют, фокусирующего цилиндра. На него подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны в пучке и, благодаря своей конфигурации, сжимает электронный пучок. Таким образом, фокусировка луча достигается изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R₂. Второй анод представляет из себя короткий цилиндр, который располагают непосредственно за первым анодом и подают на него более высокое положительное напряжение (1-5 кВ). Этот анод называют еще ускоряющим анодом. В результате электронам сообщается достаточная скорость, чтобы вызвать свечение экрана, а благодаря фокусировке на экране получается светящаяся точка. Система электродов: катод-модулятор-первый анод-второй анод образуют так называемую электронную пушку. Дальше расположены две пары параллельных пластин. Одна из них установлена горизонтально, а другая вертикально. Если к пластинам “Х” и “У” приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в горизонтальном или вертикальном направлениях. Таким образом, претерпев на своем пути два взаимно перпендикулярных отклонения, электронный луч может быть направлен в любую точку экрана. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах электронный луч попадает в центр экрана.

Принцип получения осциллограмм

Если на вертикально отклоняющие платины “У” электронно-лучевой трубки подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении и оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию. Если же переменное напряжение подать только на горизонтально отклоняющие пластины “Х”, то на экране получится горизонтальная светящаяся линия. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения

Рисунок 2.3 Принцип графического построения изображения

их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Рассмотрим, что получается, если на обе пары пластин подавать два синусоидальных напряжения, в качестве источников синусоидальных напряжений можно взять напряжение из сети частотой 50 Гц или напряжение от звукового генератора любой частоты в звуковом диапазоне приблизительно до 20 кГц. Возьмем для простоты два синусоидальных колебания одинаковой частоты и одинаковой амплитуды и методом графического построения найдем форму осциллограммы. Принцип построения виден из чертежа (рис.2.3).

Генератор пилообразного напряжения

Для получения временной осциллограммы надо на вертикально отклоняющие пластины трубки подавать исследуемое напряжение, а на горизонтально отклоняющие пластины – пилообразное напряжение (рис. 24). Частоты этих напряжений между собой должны быть равными или отличаться друг от друга в целое число раз. Генератор развертки может работать в различных режимах. Надо помнить, что для наблюдения периодических синусоидальных напряжений, служит непрерывная, или как ее называют иначе, автоколебательная развертка. Процессы же переходные, повторяющиеся через неодинаковые промежутки времени или имеющие вид очень коротких периодических импульсов (или однократных импульсов), не удается исследовать визуально при помощи повторяющейся пилообразной развертки.

Рисунок 2.4 Графическое построение изображения с пилообразным напряжением

Чтобы можно было наблюдать короткие импульсы, как периодические, так и непериодические, длительность развертки должна быть несколько больше длительности исследуемого сигнала. Подобные развертки называются ждущими или однократными.

Определить частоты синусоидального напряжения можно с помощью фигур Лиссажу. Для этого исследуемый сигнал подается на одну пару пластин “У”, а на другую пару пластин подается напряжение от звукового генератора. Если частоты будут относиться как целые числа (например 1/1, 2/3, 4/5, и т.д.), то изображение получится неподвижным. Подбирая частоту звукового генератора можно добиться такого положения, чтобы фигура Лиссажу была развернутой (рис.2.5). Тогда, если мысленно заключить ее в квадрат и посчитать число касаний к вертикальной стороне квадрата и к горизонтальной стороне квадрата, то соотношение этих чисел будет равно отношению ч астот:

Рисунок 2.5 Фигуры Лиссажу

При подготовке осциллографа к работе следует обращать внимание на качество фокусировки луча. От толщины следа луча зависит визуальная погрешность определения размеров изображения, относительное значение которой оценивают формулой:

(%), (2.1)

где b – толщина линии (в долях крупных делений);

L_X(Y) – размер изображения по координате X (Y), в крупных делениях;

=[0.41] – безразмерный коэффициент, значение которого учитывает квалификацию экспериментатора, для начала =1. Луч считается хорошо сфокусированным, если значение b  (0.050.1) дел.

Определение основных погрешностей коэффициентов отклонений и коэффициентов развёртки осуществляется с помощью вольтметра переменного тока (V) и образцового генератора (ОГ) синусоидальной и прямоугольной форм, соединённых с осциллографом (ЭЛО) коаксиальными кабелями (К) согласно рис. 2.6.

Рисунок 2.6 Схема подключения приборов для определения погрешности

Определить погрешности коэффициентов отклонения следует при 23 положениях его переключателя, например, при k₀: 0.1, 0.5, 1 (В/дел.). Для этого на вход канала вертикального отклонения подают сигнал синусоидальной формы, частотой 1000 Гц, и регулируют его амплитуду таким образом, чтобы изображение сигнала по оси Y находилось в пределах рабочей части экрана (она обычно отмечена горизонтальными пунктирными линиями). Искомый коэффициент определяется выражением:

k₀^*=U_2А/L_2А [В/дел.],

где U_2А – напряжение двойной амплитуды, определённое по показаниям вольтметра;

L_2А – размер изображения двойной амплитуды сигнала (в крупных делениях).

Оценка относительной погрешности найденного коэффициента отклонения:

%,

где k₀ – номинальный (установленный) коэффициент отклонения.

Схема эксперимента по определению погрешности коэффициента развёртки аналогична. В этом случае можно выбрать сигнал прямоугольной формы.

Перед проведением эксперимента выбирают значение коэффициента развёртки, например k_P=1 мс/дел., выбирают размер изображения L_T (10 дел.), оценивают требуемое значение частоты тестового сигнала

f*=nL_T/k_P,

где n – целое число периодов, которое предполагают наблюдать в пределах L_T.

После этого регулируют частоту f генератора таким образом, чтобы предполагаемое количество периодов наиболее точно разместилось в границах L_T (при этом следует ориентироваться по тем участкам сигнала, которые обладают максимальной скоростью изменения). Для удобства проведения эксперимента следует начало развёртки луча совместить с левым краем сетки экрана.

Коэффициент развёртки вычисляют по формуле:

k_P^*=T₀/L_Т [c/дел.]

где T=1/nf – действительное значение наблюдаемого временного интервала.

Относительную погрешность коэффициента развёртки оценивают по формуле: .

Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Определяют параметры сигнала, с размерностью напряжения, косвенно, согласно уравнению:

U=k₀L_U (В),

где L_U – размер изображения измеряемого параметра. Относительная погрешность (при f<f_B/5):

_U = _В + _Ко + _НА, %,

где _В – визуальная погрешность оценки L_U (4.1); _Ко – относительная погрешность коэффициента отклонения; _НА – относительная погрешность измерения, вызванная нелинейностью канала.

Временные параметры сигнала определяют похожим образом:

Т=k_рL_Т (с),

где L_Т – размер изображения измеряемого параметра. Относительная погрешность измерения:

_Т =_В + _Кр + _НР, %,

где _В – визуальная погрешность оценки L_Т (4.1); _Кр – относительная погрешность коэффициента отклонения; _НР – относительная погрешность измерения, вызванная нелинейностью развёртки. При измерении длительности _ф фронта импульса влиянием динамических характеристик осциллографа можно пренебречь при _ф2f_B <0.2.