книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

щей к бумаге 1 красящую ленту 5. Вследствие нажима стрелки от красящей ленты на бумаге получается точка.

Прижатие стрелки 3 и ее освобождение производятся с помощью дуги 4, которая периодически поднимается, освобождая стрелку 3, и затем, опускаясь, прижимает ее через ленту 5 к бумаге 1. В про­ межутке между опусканиями дуги стрелка устанавливается в соответ­ ствии со значениями измеряемой величины. Дуга 4 приводится в движение электрическим двигателем (на рис. 129 не показан). Бу­ мага 1, намотанная на валик 6, проходит через направляющую 2, расположенную под красящей лентой 5 и обеспечивающую опору для

17

16

15

Рдс. 130. Вид точечной записи шести измеряемых ве­ личин

стрелки 3 и дуги 4 при печатании точки. С направляющей 2 бумага 1 захватывается за отверстия по ее краям штифтами ведущего ва­ лика 7, приводимого в движение тем же электрическим двигателем, который приводит в действие дугу 4.

Далее бумага поступает на собирающий механизм (моталку), представляющий собой валик, приводимый в движение тем же двигателем.

Скорость движения бумаги в этих приборах 20—120 мм/ч. Опу­ скание дуги 4 происходит от одного до трех раз в минуту. Точки на бумаге, если только измеряемая величина изменяется не очень быстро,

Так как стрелка прижимается к прямолинейной направляющей, над которой натянута красящая лента, то запись получается в пря­ моугольных координатах, несмотря на то, что стрелка движется но дуге.

190

Один il тот же прибор с точечной записью может быть использо­ ван для записи нескольких измеряемых величин. В этом случае чаще всего применяются несколько красящих лент различного цвета, расположенных параллельно друг другу над направляющей, к ко­ торой прижимается стрелка.

Эти ленты периодически перемещаются вперед и назад, вслед­ ствие чего над направляющей перед каждым опусканием дуги пооче­ редно оказывается каждая из лент.

С помощью уже упомянутого ранее электродвигателя одновремен­ но и синхронно с перемещением красящих лент производится поочередное приключение (например, термопара) к измерительному механизму прибора. Вследствие этого на ленте получается нес­ колько кривых различного цвета. Такие приборы называются само­ пишущими приборами с многократной записью.

На рис. 130 показан вид точечной записи шести измеряемых ве­ личин на диаграммной бумаге самопишущего прибора.

24. Светолучевые осциллографы

Назначение и устройство. Светолучевые осциллографы широко применяются для наблюдения и регистрации изменяющихся во времени величин.

Современные осциллографы имеют несколько осциллографических гальванометров (вибраторов) для одновременного наблюдения и регистрации ряда процессов. Чаще всего выпускаются осцил­ лографы с тремя, шестью и восьмью гальванометрами. Известны конструкции осциллографов с 50 гальванометрами, что позволяет одновременно наблюдать и регистрировать соответствующее число измеряемых величин.

Светолучевые осциллографы применяются для исследования периодических процессов, частота которых не превышает 15 ООО Гц.

Наиболее распространены гальванометры магнитоэлектрической системы.

Па рис. 131, а изображена принципиальная схема оптической системы и приспособлении для наблюдений и записи параметров изучаемого процесса. Луч света от лампы 1, проходя через конденсорную линзу 2, диафрагму 3 и трехгранную призму 4, попадает на зеркальце гальванометра 10. Отраженный от зеркальца световой луч частично проходит через цилиндрическую линзу 6, фокусирующую луч на поверхность фотопленки 7 (светочувствительной бумаги). Часть светового луча при помощи линзы§ направляется к поверхности многогранного зеркального барабана 9, а от него на матовый стек­ лянный экран 5 для визуального наблюдения процесса.

Если, например, через гальванометр пропустить исследуемый переменный ток, то подвижная часть гальванометра будет совершать колебания. При неподвижных фотопленке 7 и барабане 8 на экране 5 будет видна световая полоса, а на фотопленке после ее проявле­ ния — черная полоса. Если же барабана заставить вращаться с такой постоянной скоростью, при которой время поворота зеркального

191

барабана на угол ß равно 1;Т (к — целое число и Т — период иссле­ дуемой кривой), то на экране появится неподвижная кривая изу­ чаемого тока. На фотопленке при ее движении эта кривая будет зафиксирована в виде осциллограммы, которая показана на рис. 131. б.

Описанный процесс получения кривой с помощью вращающегося зеркального барабана называется разверткой. Масштаб по оси ор­ динат кривой зависит от чувствительности гальванометра. Масштаб по горизонтальной оси (оси времени) определяется при помощи специального приспособления, называемого отметчиком времени. Су­ ществуют различные конструкции отметчиков времени.

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

Применяются отметчики времени оптико-механического типа. Та­ кой отметчик времени состоит из неподвижного зеркала, вокруг которого вращается барабан с несколькими (например, десятью) щелями, приводимый в движение синхронным двигателем через редуктор. Если на неподвижное зеркало направить луч света, про­ ходящий через вращающийся барабан, то на фотоленту будут попа­ дать световые импульсы с определенными интервалами времени, зависящими от установленного передаточного числа редуктора бара­ бана со щелями 1 .

В качестве отметчика времени может быть использован один из гальванометров, если его питать переменным током известной ча­ стоты.

Ось времени на осциллограмме (рис. 131, б) отмечается при по­ мощи специального зеркала. Отраженный от этого зеркала луч по-

1 Такой отметчик времени применен в осциллографе типа Н115, описание которого приведено дальше.

192

падает на ленту и экран, фиксируя на них прямую линию. Таких зеркал может быть несколько. В результате на осциллограмме полу­ чаются тонкие линии, отстоящие друг от друга на определенном расстоянии.

Конструктивное оформление осциллографа весьма разнообразно.

Устройство и теория осциллографических гальванометров. Устрой­ ство магнитоэлектрического петлевого гальванометра показано на рис. 132. Гальванометр состоит из постоянного магнита 1, в воз­ душном зазоре которого помещена подвижная часть. Подвижная часть выполнена в виде петли, образованной ленточками 2, которые натянуты на призмах 3. На петле укреплено зеркальце 4. Магнит

с общим магнитом для гальванометров, и число одновременно дей­ ствующих рамочных гальванометров может быть велико. Рамочные гальванометры по сравнению с петлевыми имеют более высокую чувствительность, но зато момент инерции их подвижной части больше, и поэтому они имеют меньший частотный диапазон.

вращающий момент. Если ток переменный, вращающий момент каждую половину периода будет менять свой знак, и при малой инерционности подвижной части последняя будет совершать коле­ бательное движение. На рис. 133 схематически показано положение петли в магнитном поле. Мгновенное значение вращающего момента, созданного парой сил F,

Mt — Вsi cos а,

где В — индукция в зазоре; s — площадь петли; і — мгновенное значение тока.

Угол а в гальванометре невелик, обычно не превышает несколь­ ких градусов. По этой причине без большого ущерба для точности

можно принять coscc = l . Если, і — Іт sin o)j, то вращающий момент будет

Mt = Bslm sin at.

При движении подвижной части гальванометра на нее будут дей­ ствовать еще момент сил, тормозящий движение (сопротивление жидкости), который можно принять пропорциональным угловой скорости движения подвижной части, и противодействующий момент, про­ порциональный углу закручивания петли. Па основании уравнения (НО), если сохранить те же обозначения, что и в § 21, дифференциальное уравне­ ние движения подвижной части галь­ ванометра может быть записано так:

После преобразований, аналогичных приведенным в § 21, получим

где q — CÔ/Û)0 = m ~\/~JIW.

Решение этого уравнения, как известно, может быть представ­ лено в следующем виде:

отрицательной вещественной частью. Частное решение Y должно пред­ ставлять синусоидальную функцию времени, так как возмущающая сила в рассматриваемом случае есть sin г/т. Частное решение будем

Для нахождения X и у воспользуемся основным уравнением (127), которое должно быть справедливо и для установившегося режима. Для этого возьмем первую и вторую производные от ча-

194

Разложим синусы и косинус разности и приравняем коэффици­ енты при синусе и косинусе в правой и левой частях уравнения (130). Так как в правой части уравнения (130) функция cos qx от­ сутствует, то, очевидно, сумма коэффициентов при косинусах в левой части должна равняться нулю, а сумма коэффициентов при синусах — единице. Поэтому для определения X и ф получим два уравнения:

X (1 - q2) cos ф + 2ß#X sin ф = 1 ; X (1 - q2) sin Ф - 2ßgX cos ф = 0.

У( l - 5 2 ) 2 + 4ß2 g2

Ф= arctg

Подставляя значения X и ф в уравнение (129), решение дифферен­ циального уравнения (127) можно переписать в таком виде:

подвижная часть гальванометра совершает колебания с амплиту­ дой, зависящей от тока, от ß и от отношения частоты тока со к ча­ стоте свободных колебаний подвижной части гальванометра са0 (ве­ личины q). Колебания подвижной части гальванометра сдвинуты по фазе на угол ф относительно тока, причем угол ф зависит от тех же величин, что и амплитуда X.

Колебания подвижной части гальванометра осциллографа долж­ ны точно соответствовать форме кривой тока и совпадать с ним по фазе. Как показывает уравнение (131), в действительности этого нет, так как амплитуда колебаний подвижной части гальванометра при одном и том же токе может иметь различные значения, зависящие от частоты тока и конструктивных параметров гальванометра, и фазовый угол ф не равен нулю.

Величина

в данном случае называется погрешностью гальванометра в ам­ плитуде, а сдвиг

На рис. 134 приведены кривые, зависимости X от q при разных ß. По оси ординат отложена величина X, называемая иногда увели­ чением амплитуды, а на основании уравнения (50) уА = (X — 1) 100, [ % ] . Из этих кривых видно, что погрешность в амплитуде равна нулю при q =- 0. При q — 0 равна нулю и погрешность в фазе. По этой причине гальванометры осциллографа делаются с возможно

искаженную кривую можно представить как некоторое число синусоидальных кривых различных частот, сдвинутых по фазе относительно друг друга определенным образом.

Можно считать, что каждая гармоника воздействует на галь­ ванометр отдельно. Так как основное дифференциальное уравне­ ние (127) движения подвижной части гальванометра является ли­ нейным, весь процесс автоматически суммируется.

Осциллографы применяются в основном для записи искаженных кривых. Поэтому существенное значение имеет погрешность в ам­ плитуде и фазе гармоник. На основании того что колебательный процесс подвижной части гальванометра определяется соотношением частот « и о)0 при наличии в кривой тока п -й гармоники, погреш­ ности в амплитуде и фазе п -й гармоники будут

196

Как видно из формул (132) и (133), погрешность в амплитуде n фазе зависит от номера гармоники. Однако следует иметь в виду, что большие погрешности в амплитуде и фазе высших гармоник не имеют существенного значения, если амплитуды высших гармо­ ник невелики по сравнению с амплитудой основной гармоники.

Как уже было отмечено, для получения малых значений ам­ плитудной и фазовой погрешности гальванометра подвижная часть его выполняется с малым моментом инерции и петля сильно натя­ гивается. Однако уменьшение момента инерции и увеличение натяже­ ния снижают чувствительность гальванометра к току, так как растет удельный противодействующий момент. В практике осциллографирования иногда бывает необходимо исследовать форму неболь­ ших по величине токов (следовательно, должныбытьприменены галь­ ванометры с большой чувствительностью к току), а иногда требу­ ется воспроизвести форму кривой тока (или напряжения) с наи­ меньшей погрешностью, причем величина тока не ограничивается. Для этого осциллографы снабжаются гальванометрами различных типов. В таком случае гальванометры отличаются друг от друга частотой собственных колебаний и чувствительностью к току, и при осциллографировании кривых тока или напряжения можно выбрать наиболее подходящий к условиям эксперимента тип гальванометра.

В табл. 10 приведены характеристики гальванометров осцил­ лографа типа 11115 завода «Вибратор».

Как видно из табл. 10, применяемые оецнллографпческис галь­ ванометры в зависимости от способа успокоения делятся на три группы. К первой группе относятся гальванометры, у которых применено магнитоиндукционное успокоение обмоткой. Для обес­ печения оптимальной степени успокоения внешнее сопротивление должно быть определенной величины, указанной в таблице. Ко второй группе относятся гальванометры, у которых рамка намо­ тана на каркасе, используемом для магнитоиндукционного успо­ коения. У третьей группы гальванометров применено успокоение жидкостью. Для большинства гальванометров этой группы рамка должна быть замкнута на внешнее сопротивление, величина кото­ рого должна быть не меньше некоторого значения, указанного в таблице. В противном случае гальванометр будет работать в пере­

уменьшается. Рабочая полоса частот определяется как диапазон частот, в котором постоянная гальванометра по току отличается от его постоянной при частоте, равной нулю (постоянный ток), на следующие величины: АД ± 5 % ; А/2 ± 10% и А / 3 ± 3 0 % .

Как видно из таблицы, наибольшая полоса частот равна 15 ООО Гц. При необходимости наблюдать или регистрировать токи большей частоты должны применяться электронные осциллографы. Наиболь­ шая чувствительность гальванометра (при длине луча 300 мм)

197

равна 33 мм/мкА, однако работая полоса частот у этого гальванометра (М1013-600) составляет 0-400 Гц.

Осциллограф тппа Н115 является двенадцатиканальным универсальным осциллографом. Осцпллографлрованлс может производиться ультрафиолетовой записью на фотоленте, не требующей химического проявления (на бумаге типа УФ), или фотографической записью с химическим проявлением. Максимальная ширина фотоленты 120 мм. Емкость кассеты 25 м.

На рис. 135 приведена оптическая схема осциллографа типа I I I 15. Источ­ ник света 1 (ртутная лампа сверхвысокой яркости мощностью 100 Вт) с помощью цилиндрического конденсатора 2 и ограничителя ширины полосы 5 изображается

Ход лучей для записилиний отметок времени

Рис. 135. Оптическая схема осциллографа типа H I 15

объектива 22 собираются в плоскости фотоленты 23 в виде я р к и х пятен, которыми и осуществляется запись. Часть световых лучей, идущих от зеркал 11, отражается зеркалом 17 па зеркальный барабан 16 и от него на матовый экран 7. На путь световых лучей между зеркалами гальванометров и объектива 22 может вво­ диться зеркало 13, которое в своем нормальном положении расположено вне хода лучей. В рабочем положении оно полностью перекрывает световые лучи, идущие от зеркал 11, и отклоняет их на экран 7. В осветительной части схемы расположен идентификатор 9, флажок которого поочередно прерывает световой поток, ндущпй на зеркала гальванометров, вследствие чего в записи появляются разрывы, позволяющие следить на осциллограмме за ходом линий после их сличения или пересечения. Ход лучей для нанесения линий отметок времени показан штриховой линией с двумя точками между штрихами. Луч от источника света 1 после прохождения цилиндрического конденсатора 3 попадает на зеркало 8, от которого отражается на зеркало 14 через щели барабана 15 отмет­ чика времени. Ширина световой полосы, идущей на зеркало 8, регулируется ограничителем 6. Отразившись от зеркала 14 и снова пройдя через щель бара­ бана, световой пучок направляется зеркалом 12 через диафрагму 18 на цплинд-

199