книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

Светолучевой (вибраторный) осциллограф состоит из сле­ дующих основных частей:

1)измерительного механизма—вибраторов;

2)оптической схемы для фотозаписи кривых и визуально­ го наблюдения;

3)приспособления для фотографирования;

4)отметчика времени.

Вибраторы являются высокочувствительными гальваномет­ рами магнитоэлектрической системы. В настоящее время они выпускаются двух разновидностей: петлевые и рамочные. Для

ный прибор магнитоэлектрической системы, поэтому вращаю­ щий момент при прохождении по петле тока определяется вы­ ражением, аналогичным ранее выведенному (см. гл. I I I , § 4).

Рассмотрим случай, когда по петле вибратора проходит постоянный ток. /. Тогда угол поворота петки и зеркала вибра­ тора определится выражением

а= W I .

Увибраторов этот угол очень мал.

160

Расчетная чувствительность вибратора равна

1 I W

Когда зеркало повернется на угол а, фокус отраженного от зеркала светового луча переместится по экрану (или по плен­ ке) на расстояние а, где

а = 2kLa.

Здесь k—коэффициент, учитывающий преломление светового луча при переходе его из жидкости в воздух;

L—длина отраженного светового луча. Паспортная чувствительность вибратора

/ма

Величина а обычно измеряется в миллиметрах, а ток — в миллиамперметрах. В паспорте вибратора чувствительность

Это величина, постоянная для вибратора.

Из этой связи видно, что вибратор с высокой частотой соб­ ственных колебаний обладает относительно невысокой чувст­ вительностью, и наоборот.

Рассмотренная ранее теория движения подвижной системы магнитоэлектрического гальванометра (гл. I I I , § 5) полностью может быть применена к вибраторам осциллографа. При про­ хождении по петле тока колебания ее должны точно соответст­ вовать колебаниям тока и совпадать с ними по фазе. В дейст­ вительности имеет место некоторое отклонение амплитуды за­

так как записанная вибратором кривая сдвинута относительно действительной кривой на угол <р. Величина фазовой погреш­ ности определяется формулой (приводится без вывода)

to = arc tg .

ö1— k1

Погрешности амплитудная и фазовая, таким образом, оп­ ределяются величинами относительной частоты k и степени успокоения ß. На рис. ІѴ-5, а, б приведены кривые ->=f(k) и cp=F(k) при различных значениях ß. Из кривых видно, что наименьшая амплитудная погрешность имеет место при ß = = 0,6—0,7. Промышленностью выпускаются вибраторы, имею­ щие ß=0,6—0,8.

а) Ъ

б)

Рис. IV-5

Фазовая погрешность оказывает меньшее влияние на за­ пись исследуемой кривой. При ß=0,6—0,8 и при k, изменяю­ щемся до 1, фазовой погрешностью можно пренебречь,

162

щей до ста витков, что значительно повышает чувствитель­ ность вибратора. Момент инерции этой малой катушки незна­ чителен. Катушка крепится на растяжках 3. Зеркальце 2 при­ клеено к растяжке. Натяжение растяжек осуществляется пру­ жиной 4. На уровне катушки в латунной стойке 6 вставлены пластины 5 из магаитомягкото материала.

Рамочный вибратор имеет значительно меньший размер, чем петлевой, так как в нем отсутствует индивидуальный по­ стоянный магнит. В осциллографе с рамочными вибраторами имеется один общий постоянный магнит, в поле которого поме­ щаются все вибраторы. Такой магнит обладает большей мас­ сой и создает большую индукцию в воздушном зазоре, чем ин­ дивидуальный магнит петлевого вибратора. Диаметр корпуса петлевого вибратора может быть 2; 2,5; 4; 6; 10; 16 или 20 мм, поэтому в осциллографе может быть установлено большее ко­ личество вибраторов (до 60).

В рамочных вибраторах применяется электромагнитное ус­ покоение, как и в гальванометрах. Поэтому для уменьшения погрешности вибраторы должны включаться на соответствую­ щую величину сопротивления внешней цепи.

Для уменьшения влияния внешнего сопротивления рамку иногда наматывают на алюминиевую пластину (действие ана­

вибраторы с частотой собственных колебаний в воздухе от не­ скольких герц до 10 000 гц, а чувствительностью от 50 000 до

луч направляется призмой 5 на зеркальный барабан 6, с грани которого попадает в виде световой точки на матовый экран 7, служащий для визуального наблюдения. Часть луча, отражен­ ного от зеркальца вибратора, фокусируется цилиндрической линзой 8 на фотобумаге или фотопленке. В осциллографах ис­ пользуются фотопленка и фотобумага шириной 35 мм с перфо­ рацией и 60, 120, 200 или 300 мм без перфорации.

Чтобы получить изображение исследуемой кривой во вре­ мени, необходима ее развертка. Осуществляется это за счет перемещения фотопленки (фотобумаги) с равномерной скоро­ стью в направлении, перпендикулярном движению светового луча. Перемещение фотопленки (фотобумаги) осуществляется через механическую передачу электрическим двигателем.

164

Двигатель и приспособление для фотографирования. Зер­ кальный барабан и барабан с фотопленкой (или фотобумагой)

или 220 в). Изменение скорости вращения барабанов можно произвести путем изменения передаточного числа зубчатой передачи в коробке скоростей. Скорость вращения зеркально­

Рис. IV-7

Скорость перемещения фотопленки (фотобумаги) может быть регулируема в пределах от 0,15 до 10000 мм/сек. Величи­ на скорости фотопленки выбирается в зависимости от скорости и вида исследуемого процесса. Если необходимо снять форму

процессы, протекающие в течение нескольких секунд или ми­ нут, то скорость устанавливается меньшей.

При прохождении переменного тока по петле вибратора последняя начинает колебаться и одновременно колеблется луч света, отраженный от зеркальца вибратора. Если барабан с фотопленкой (фотобумагой) неподвижен, то луч света про­ чертит на ней прямую, параллельную оси барабана. Длина линии будет соответствовать удвоенной амплитуде протекаю­ щего по петле тока. Если же ток в петле отсутствует и петля неподвижна, а вращается барабан с фотопленкой, то луч света прочертит перпендикулярную прямую. При одновременном вращении барабана и колебании петли вибратора луч света

165

вычертит развернутую кривую — осциллограмму. Аналогич­ ная картина имеет место на матовом стекле экрана. Глаз мо­ жет наблюдать ее, так как луч многократно пробегает одну и ту же кривую.

Рулоны чистой и использованной пленяй (фотобумаги) по­ мещаются в светонепроницаемые кассеты.

После завершения процесса съемки фотопленка (фотобу­ мага) вынимается из кассеты и обрабатывается химическими реактивами в темноте. Затем производят печатание с фото­ пленки на фоточувствительную бумагу. Полученная осцилло­ грамма надписывается.

В настоящее время отечественная приборостроительная промышленность выпускает осциллографы с записью на днев­ ную бумагу, которая не требует обработки химическими реак­ тивами. Лампа накаливания заменена ртутной лампой высо­ кого давления. На бумаге, покрытой фотоэмульсией, под дей­ ствием ультрафиолетовых лучей получается скрытое изобра­ жение исследуемой кривой, которое при дневном рассеянном свете становится видимым. Скорость перемещения фотобума­ ги от 2 до 3500 мм/сек. Недостатком подобных осциллографов является небольшой срок службы ртутной лампы и значитель­ ное потребление ею электроэнергии.

Отметчик времени. Для определения на осциллограмме длительности заснятого процесса необходимо иметь кривую, частота, т. е. число периодов в секунду, которой точно извест­ но. Для получения масштаба времени используется отметчик времени. В качестве такового применяются микрофонный зум­ мер, электронный или щелевой отметчик времени. Принци­ пиальная схема микрофонного отметчика времени представле­ на на рис. IV--8. Обмотка электромагнита /, соединенная по­ следовательно с угольным сопротивлением 2, подключена к источнику постоянного или переменного тока. При прохожде­ нии тока по катушке электромагнит притягивает рабочий ко­ нец стальной пластинки 3 и тем ослабляет давление на уголь­ ное сопротивление бронзовой пластинки 4. Сопротивление угольного порошка при этом возрастает и, следовательно, ток электромагнита уменьшается, стальная пластинка возвраща­ ется в исходное положение и через бронзовую пластинку уве­ личивает давление на угольный порошок; сопротивление его уменьшается, ток электромагнита возрастает, стальная пла­ стинка притягивается к нему и т. д. Стальная пластинка будет колебаться с частотой собственных колебаний. На стальную пластинку наклеено зеркальце 5, на которое падает луч света от общего осветителя. Отраженный от зеркальца луч света прочертит на фотопленке (бумаге) синусоиду. Частота соб­ ственных колебаний стальной пластинки и частота синусоиды для отметчиков времени подобной конструкции равны 500 гц.

166

Большей частью приходится использовать вибраторы для записи тока и напряжения. Для записи тока вибратор включа­ ется параллельно шунту, последовательно с исследуемым объ­ ектом, а для записи кривой напряжения—последовательно с добавочным сопротивлением и параллельно объекту. (Выбор сопротивлений шѵнта и добавочного сопротивления см. в гл. H I , § 4 ) .

Рис . ІѴ-8

Схема включения двух вибраторов для записи кривых тока и напряжения показана на рис. ІѴ-9. Для изменения тока в цепи вибратора В1, записывающего кривую тока, включается последовательно с вибратором небольшое добавочное сопро­ тивление R'Âo6-

Рис. ІѴ-9

Как было сказано ранее, в светолучевых осциллографах может быть использовано несколько вибраторов (до 60), т. е. этим осциллографом можно записать одновременно несколько величин. Следовательно, можно произвести анализ одновре­ менного изменения различных величин по амплитуде, фазе, по степени искажения и т. п. В этом и заключается одно из ос­ новных преимуществ светолучевых осциллографов.

167

Э л е к т р о н н ы й о с ц и л л о г р а ф

Электронные осциллографы по способу создания электрон­ ного луча делятся на два типа: осциллографы с холодным ка­ тодом « осциллографы с накаленным катодом.

В осциллографе с холодным катодом электронный луч по­ лучается за счет электростатической эмиссии. Для этого меж­ ду катодом и анодом создается электрическое поле большой напряженности (с помощью высокого напряжения порядка 30—70 /се). Осциллографы этого типа используются только в высоковольтной измерительной технике и здесь рассматри­ ваться не будут.

Во втором типе осциллографов электронный луч получает­ ся за счет термоэлектронной эмиссии при нагреве нити по­ догревного катода. Осциллографы второго типа получили наи­ большее распространение в электроизмерительной технике и радиотехнике.

Электронные осциллографы применяются в электроизмери­ тельной технике в качестве измерительного или нулевого при­ бора (электронный нуль-индикатор) в цепях низких и высоких частот. Они дают возможность снять вольтамлерную характе­ ристику нелинейных сопротивлений, измерить магнитные ве­ личины и получить характеристики ферромагнитных мате­ риалов.

Основной частью электронного осциллографа является электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Принципиальная схема ее представлена на рис. IV-10. Здесь катод 1 представляет собой металлический цилиндр с оксидным покрытием торца для излу­ чения электронов в одном направлении. Цилиндр надет на фарфоровую трубку, внутри которой имеется биспиральная нить накала катода.

Рис . IV-lüj

168

Д ля превращения потока электронов, излучаемых катодом, в электронный луч и для регулировки количества электронов в луче катод помещается в металлическую цилиндрическую сетку с отверстием в торцевой части. Эта цилиндрическая сет­ ка 2 называется управляющим электродом или модулятором. Потенциал управляющего электрода отрицателен относитель­ но катода.

При увеличении этого потенциала электроны, вылетающие из катода, будут еще сильнее отклоняться от оси и меньшее их число пройдет через отверстие управляющего электрода. Этим достигается регулирование количества электронов в луче, т. е. яркость пятна на экране.

диафрагмы, служащие для задержания электронов, сильно от­ клонившихся от оси луча. Потенциал первого анода 3 можно регулировать относительно катода в пределах 0,2—1 кв. По­ тенциал второго анода 4 неизменен (около 4 кв). Между ано­ дами образуется электрическое поле, которое отклоняет элек­ троны к оси луча и придает им ускорение. Поле между анода­ ми действует на электронный луч аналогично собирательной линзе, фокусируя его в точку на экране 7. Фокусировка пятна на экране осуществляется изменением потенциала первого анода.

На пути электронного луча располагаются две пары откло­ няющих пластин: горизонтальные 5 и вертикальные 6. Если к горизонтальным пластинам приложить периодически изме­ няющееся напряжение, то электронный луч будет отклоняться в сторону пластины, имеющей в данный момент положитель­ ный потенциал. Отклонение это тем сильнее, чем больше потен­ циал. Следовательно, при переменном напряжении между пла­ стинами электронный луч будет колебаться с частотой прило­ женного напряжения. На экране будет видна вертикальная прямая. Перемещение луча происходит по оси у, поэтому за­ жимы осциллографа, на которые подается это напряжение, называются «вход у», а сами пластины 5—вертикально откло­ няющими.

Напряжение, приложенное к вертикальным пластинам, за­ ставляет колебаться электронный луч в горизонтальной пло­ скости в направлении оси х, поэтому соответствующие зажимы осциллографа называются «вход х», а пластины 6 — горизон­ тально отклоняющими.

Наиболее часто электронный осциллограф используется для исследования величины и формы кривой напряжения. Для

16')