книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

§ 6.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Устройство осциллографа

Электромеханический осциллограф состоит из комплек­ та измерительных механизмов (вибраторов, магнитоэлект­ рических или ферродинамических), оптического устройст­ ва для визуального наблюдения и фотозаписи исследуемых

Токопроводящие ленты делают из фосфористой бронзы или других сплавов. Для достижения необходимого коэффици­ ента успокоения ß= 0,6-^0,7 измерительный механизм за­ ключен в пластмассовый корпус, заполненный специальным маслом. В корпусе напротив зеркальца имеется окно для прохождения лучей света. Собственная частота колебаний такого вибратора в основном определяется поперечным се­ чением ленты и расстоянием между призмами и находится в пределах от 200 до 20 000 гц. При прохождении по петле вибратора измеряемого электрического тока і на каждую ее сторону действуют силы F. Если направление тока изменит-

210

ся, соответственно изменят свое направление и силы, лен­ точки переместятся и повернут зеркальце 3 в сторону от равновесного положения. При малом моменте инерции под­ вижной части вибратора и большой собственной частоте ее колебаний угол отклонения зеркальца от нулевого положе­ ния в каждый момент времени будет пропорционален мгно-

^гтттммтмттіштш

Рис. 6.2. Электромеханический осциллограф:

а — общая схема; б —* осциллограмма

венному значению измеряемого тока. Угол отклонения зер­ кальца определяется с помощью светового луча.

Для повышения чувствительности вибратора вместо то­ копроводящей петли в поле постоянного магнита помещают мини-етюрную катушку (рамку). Такие рамочные вибрато­ ры применяют только для исследования низкочастотных колебаний, так как подвижная их часть имеет большую инерционность, чем ленточная петля.

Принципиальная схема электромеханического осцилло­ графа изображена на рис. 6.2, а. Луч от сильного источни­ ка света 1 через узкую щель 2 и призму 3 направляется на зеркальце 4 вибратора. От зеркальца луч отражается на призму 5 и цилиндрическую линзу 6. С призмы 5 концент­ рированный луч направляется на многогранный зеркаль­ ный барабан 7, от которого отражается на матовый экран

8. Часть луча, сфокусированная линзой 6, попадает на фо­ топленку или светочувствительную бумажную ленту 9. Ес­ ли зеркальный барабан 7 и фотопленка 9 находятся в покое, то при колебаниях зеркальца вибратора луч света будет рисовать на экране и фотопленке прямую линию разных масштабов. Для наблюдения и фотографирования картины изменения исследуемого тока во времени, надо развернуть движение луча на экране и фотопленке. Это достигается вращением зеркального барабана и поступательным дви­ жением фотопленки.

Чтобы исследуемая кривая была неподвижной на экра­ не, зеркальный барабан должен вращаться с вполне опре­ деленной скоростью, т. е. луч света должен перемещаться по одной грани барабана в течение времени, равном цело­ му числу периодов исследуемого тока. Многогранный зер­ кальный барабан «разворачивает» процесс изменения тока во времени; такое устройство называется м е х а н и ч е с к о й р а з в е р т к о й . Фотопленка перемещается с помощью лен­ топротяжного механизма, снабженного коробкой перемены скоростей. В зависимости от скорости изменения исследуе­ мого процесса скорость передвижения фотопленки молено менять от 1 до 10 000 мм/сек. Результат записи исследуемо­ го процесса дан в виде кривой изменения тока во времени 1, называемой о с ц и л л о г р а м м о й (рис. 6.2, б ). Масшта­ бы ее ординат зависят от чувствительности вибратора, а времени — от скорости движения фотопленки. Для опреде­ ления масштаба времени на осциллограмме записывают вспомогательную кривую колебания 2 с периодом, получае­ мым от отметчика времени.

Известны микрофонные, камертонные, электронные и другие отметчики времени. Наиболее простым и надежным отметчиком является микрофонный (рис. 6.3). Электриче­ ская последовательная цепь, состоящая из электромаг­ нита 1 и угольного сопротивления 2, питается постоянным током или током промышленной частоты. Якорем электро­ магнита служит стальная пластинка 3; бронзовая пластин­ ка 4 и верхняя часть угольного сопротивления 2 механиче­ ски связаны между собой. Когда электромагнит притягива­ ет якорь, давление в угольном сопротивлении уменьшается. В результате увеличивается сопротивление электрической цепи, ток уменьшается, упругая пластинка 3 отходит в прежнее положение, давление в угольном сопротивлении восстанавливается и весь процесс повторяется. В результа­ те якорь колеблется с частотой собственных колебаний,

2 1 2

обычно равной 500. гц. На якоре 3 укреплено зеркальце 5, от которого отражается луч света на фотопленку. Верхняя

часть колебаний якоря записывается в виде зубчиков (рис. 6.2, б, кривая 2).

В качестве отметчика времени можно использовать виб­

Рис. 6.3. Устройство микрофонного отметчика времени

лампового генератора, на выход которого включается виб­ ратор. Достоинства электронных отметчиков: возможность получения нескольких фиксированных частот (для разных скоростей исследуемого процесса), а недостатки— сравни­ тельная сложность конструкции. Масштаб ординат осцил­ лограммы зависит От чувствительности вибратора.

Качество записи исследуемых процессов зависит от со­ вершенства оптической системы осциллографа и источни­ ков света. При небольших скоростях применяют точечные лампочки накаливания, а при больших — дуговые ртутные и другие специальные лампы.

На осциллограмме ось времени 3 (рис. 6.2, б) вычерчи­ вается с помощью нулевого зеркальца, которое устанавли­ вают неподвижно в таком положении, чтобы отраженный от него луч света совпадал с лучом света, отраженным от зеркальца вибратора при нулевом значении тока.

Лентопротяжный механизм и многогранный зеркаль­ ный барабан приводятся в движение электрическим двига­ телем. В некоторых случаях для этого используют пружин­

столе монтируют 6—9 вибраторов и остальные узлы. Пере­

2 1 3

носный осциллограф снабжается 3—8 вибраторами и вы­ полняется в портативных, сравнительно легких корпусах. Разнообразие конструкций электромеханических осциллог­ рафов объясняется их широким применением и требовани­ ями, предъявляемыми к ним. Однако существует тенденция к универсальности и только там, где требования резко от­ личаются от общепринятых, используются осциллографы специальных конструкций.

Теория магнитоэлектрического вибратора и погрешности

измерений

Магнитоэлектрический вибратор является малоинер­ ционным гальванометром, на подвижную часть которого при малых углах ее поворота действует вращающий мо­ мент Mt= Bsi, где В — индукция в зазоре; s — площадь пет­ ли; і — мгновенное значение тока в петле.

Закон движения зеркальца гальванометра, аналогично (5.13), описывается дифференциальным уравнением

Для получения решения а = F ( t ) надо знать закон из­ менения i(t). Для частного случая, когда i = I msin at, ре­ шение для установившегося состояния имеет вид [16н -20]:

мого процесса к частоте собственных коле баиий петли вибратора;

ß— степень успокоения вибратора (5.16).

Уравнение (6.2) показывает, что при установившемся режиме амплитуда колебаний зеркальца зависит от ампли­ туды измеряемого тока /т , степени успокоения ß и отноше­ ния частот к. Это означает, что вибратор будет записывать не действительную амплитуду 1т, а измененную h lm, где h — коэффициент изменения амплитуды

214

к-* 0. Последнее означает, что вибраторы следует изготав­ ливать с возможно большей частотой собственных колеба­

трех десятых процента. Уравнение (6.2) также показыва­ ет, что зарегистрированная вибратором кривая тока сдви­ нута по фазе относительно тока, протекающего по вибра­ тору на величину

если вибраторы будут иметь разные ß и к.

В практике измерений осциллографами записывают чаще всего несинусоидальные процессы, в которых кроме основной частоты содержатся высшие гармоники (nf). Амплитудная улп и фазовая ф„ погрешности определяются в этом случае по (6.4) и (6.5), но вместо к надо подстав­ лять пк, где п — номер гармоники. С ростом номера гармо­ ники погрешности записи ее амплитуды и фазы возраста­ ют, однако их влияние на величину погрешности записи всей кривой падает, так как амплитуда гармоники и длина записи ее периода уменьшаются.

Инерционность подвижной части вибратора ограничи­ вает область применения электромеханических осциллог­ рафов. Они позволяют регистрировать без существенных искажений синусоидальные токи и напряжения с частотой 3-4-5 кгц, поскольку наибольшая частота собственных ко­ лебаний современных вибраторов не превышает 20 кгц.

215

§ 4.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электроннолучевая трубка

Измерительный элемент электронного осциллографа — электроннолучевая трубка, внутри которой создается уз­ кий пучек электронов (электронный луч), падающий на экран трубки. Мерой измеряемой величины в такой элект­ ронно-кинетической системе является отклонение элект­ ронного луча от нулевого положения под воздействием электрического или магнитного полей, величина и закон изменения которых зависят от исследуемых явлений. Электронная эмиссия в трубке может создаваться с по­ мощью холодных или накаленных катодов. Отклонение движущихся в трубке электронов производится с помощью катушек, по которым протекает электрический ток, или

спомощью отклоняющих пластин, между которыми созда­ ется разность электрических потенциалов. В технике изме­ рений больше применяются электроннолучевые трубки с горячим катодом и электростатическим управлением. Уст­ ройство такой трубки схематически показано на рис. 6.4. Это герметический стеклянный баллон специальной формы

ссистемой металлических электродов. В нем создан высо­ кий вакуум. Внутренняя поверхность дна баллона Э по­ крыта тонким слоем особого вещества — люминофора, спо­ собного светиться в той точке, куда падает поток электро­ нов. Эта часть трубки служит экраном. В противоположной части баллона — в начале его горловины помещено устрой­ ство, формирующее электронный луч. Нить накала Н разо­ гревает катод К и из него вылетают электроны. Этот катод

окружен управляющим электродом — модулятором М с отверстием для пропускания электронов. На него пода­ ется отрицательный относительно катода потенциал и по­ этому он концентрирует пучок электронов к оси трубки. Потенциал модулятора М можно изменять (рис. 6.4) и тем самым регулировать интенсивность потока электронов от нуля (трубка «заперта») до некоторого максимального значения. Этот электрод называется м о д у л я т о р о м по­ тому, что на него можно также подавать внешнее перемен­ ное напряжение, которое будет модулировать (изменять) интенсивность луча.

После предварительной фокусировки электронного лу­ ча электродом М, дальнейшую фокусировку производит первый анод А\ (цилиндр с диафрагмами), имеющий поло-

216

жительный потенциал в несколько сот вольт. Фокусировка

в виде цилиндра, находится под постоянным положитель­ ным потенциалом относительно катода в несколько тысяч вольт. Под влиянием создаваемого им электрического поля

Рис. 6.4. Устройство электроннолучевой трубки и схема ее питания

электроны ускоряют свое движение и получают такой за­ пас кинетической энергии, который необходим для возбуж­ дения (свечения) люминофора экрана. Все устройство для формирования электронного луча называется э л е к т р о н ­ ной пушкой. После второго анода расположена откло­ няющая система, состоящая из двух пар пластин, располо­ женных взаимно перпендикулярно друг к другу. К ним подводятся постоянные напряжения — для установки луча в нужной точке экрана, или исследуемые переменные на­ пряжения. Пара горизонтальных пластин — электроды вертикального отклонения (У-электроды) — отклоняет элек­ троны в вертикальном направлении, а вертикальных — элек­ троды горизонтального отклонения (Х-электроды) — сме­ щает электроды в горизонтальном направлении.

Отклонение луча h под действием напряжения сигнала «с определяется выражением

217

Sy — h/uc = l(^L -\— —j /2(7а3 d, мм/в.

и 250 мм. Важной характеристикой экрана является его послесвечение. Время спадания яркости до 1% от яркости в момент прекращения действия электронного луча назы­ вается д л и т е л ь н о с т ь ю п о с л е с в е ч е н и я . Корот­ ким послесвечением называется время менее 0,01 сек, сред­ ним— др 0,1 сек, длительным — более 0,1 сек. Трубки с длительным послесвечением облегчают наблюдение непе­ риодических и медленно протекающих процессов. Для изу­ чения одиночных процессов используются трубки с «па­ мятью», в которых создается потенциальный рельеф на диэлектрической мишени. Запись сохраняется до двух суток.

При осциллографированин быстрых процессов элект­ ронный луч не успевает возбудить люминофор и свечение экрана получается слабым. Для увеличения яркости при­ меняется послеускорение электронов, осуществляемое до­ полнительным высоким напряжением, которое подается на третий анод; последний располагается между отклоня­ ющими пластинами и экраном (рис. 6.4).

Электроннолучевые трубки обладают весьма большим входным сопротивлением для исследуемых сигналов и ши­ роким частотным диапазоном, верхний предел которого ограничивается значением порядка 100 Мгц за счет нали­ чия емкости между пластинами и индуктивности их выво­ дов, а также конечного времени движения электронов меж­ ду пластинами. Для осциллографирования колебаний

218

с частотой і}ыше 100 Мгц вместо пластин применяют откло­ няющие системы с распределенными постоянными. Такие системы позволяют наблюдать осциллограммы процессов

баллона. Исключением является вывод третьего анода — он помещен на баллоне лампы.

Получение изображений на экране осциллографа

Каждая пара отклоняющих пластин в отдельности, воз­ действуя на электронный луч, перемещает его светящуюся точку на экране на величину h — hx и h — hy (рис. 6.5). Эти перемещения зависят от величины приложенных отклоня­ ющих напряжений U x и J J y и чувствительностей трубки по каждой паре пластин S Vx и S Vy(hx= S VxUx; hv= S VvUy) .

Если напряжения ІІХ и ІІУ постоянны и поданы на пласти­

219