Модуль 18. Погрешности измерений. Электроизмерительные приборы

18.4. Регистрирующие приборы прямого преобразования

Подлежащие измерению электрические величины могут изменяться во времени различным образом. В одном случае речь идет об измерении электрических величин, изменяющих свое значение и направление апериодически или периодически с различными скоростями или частотой. В другом случае речь идет об измерении действующих токов, напряжений и других величин, которые могут быть непостоянными. В обоих случаях измерения выполняют с помощью приборов, входящих в группу регистрирующих электроизмерительных приборов, включающую в себя самопишущие приборы прямого и косвенного преобразования (самописцы) и осциллографы.

Самопишущие приборы прямого преобразования (ГОСТ 9999—62) представляют собой сочетание измерительного механизма 1 с записывающим устройством 2 и диаграммной лентой 3, приводимой в движение с постоянной скоростью электродвигателем 4 (рис. 18.4). Для измерений и записи в цепях постоянного тока применяют магнитоэлектрический измерительный механизм. Для записи изменяющихся во времени действующих значений токов и напряжений, частоты, мощности и коэффициента мощности в цепях переменного тока, а также для записи переходных процессов и мгновенных значений токов, напряжений и мощности при частоте не выше 1÷2 Гц применяют магнитоэлектрический ИМ в сочетании с выпрямителем или ферродинамический ИМ.

В зависимости от числа регистрируемых величин эти приборы выполняют одно- или многоканальными. Регистрация осуществляется путем непрерывной либо точечной записи с помощью чернильного перьевого (или другого) устройства и диаграммной бумаги в прямоугольных (ленточная диаграмма) или в полярных (дисковая диаграмма) координатах.

Отечественная промышленность выпускает щитовые и переносные самопишущие приборы классов точности 1,5 и 2,5 в виде амперметров, вольтметров и других приборов.

Самопишущие приборы в силу своей инерционности пригодны для длительных наблюдений и регистрации лишь медленно изменяющихся величин.

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) является универсальным регистрирующим прибором широкого назначения. С его помощью можно наблюдать и документально фиксировать мгновенные значения непрерывных, импульсных, непериодических, случайных и одиночных электрических сигналов. Широко применяют ЭЛО для измерения напряжения, частоты, фазового сдвига, временных интервалов, сопротивления и других физических величин, предварительно преобразованных в электрические.

Несмотря на большое разнообразие типов ЭЛО структурные схемы их можно свести к одной (рис. 18.5). В общем случае ЭЛО состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и трех электрических каналов Y, X, Z. По каналу Y поступает исследуемое напряжение , вызывающее вертикальное отклонение луча в ЭЛТ, по каналу X - напряжение , вызывающее горизонтальное отклонение луча. Одновременное воздействиеи_у и и_х дает на ЭЛТ осциллограмму, отображающую зависимость и_у(и_х). По каналу Z подают напряжение для управления яркостью луча.

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, внутри которого расположены: электронная пушка, состоящая из нити накалаН, катода К, модулятора М, фокусирующего А₁ и ускоряющего А₂ анодов, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин Y и X. На тыльную широкую часть баллона нанесен слой люминофора, способный светиться при попадании на него электронов и образующий экран трубки.

Канал вертикального отклонения Y предназначен для передачи исследуемого электрического сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. В состав канал входят: делитель напряжения и усилитель, а также вспомогательное устройство - калибратор амплитуды.

Делитель напряжения позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить большое (порядка 1 МОм) входное сопротивление ЭЛО, необходимое для уменьшения методической погрешности измерений. Усилитель осуществляет увеличение «размаха» измеряемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча по вертикали на всю высоту экрана. Калибратор амплитуды используется для калибровки коэффициента усиления усилителя вертикального отклонения и представляет собой генератор прямоугольных импульсов определенного амплитуды (0,1 или 1 В) и частоты следования (1 кГц).

Канал горизонтального отклонения X предназначен для формирования линейно изменяющегося напряжения, обеспечивающего равномерное перемещение луча ЭЛТ по горизонтали. Он включает в себя генератор развертки, усилитель и блок синхронизации.

Генератор развертки служит для формирования пилообразного напряжения, обеспечивающего постоянную скорость горизонтального перемещения луча. Усилитель обеспечивает значение пилообразного напряжения, достаточное для отклонения луча по горизонтали на всю ширину экрана. Блок синхронизации предназначен для принудительного поддержания тактовой частоты генератором развертки, равной или кратной частоте исследуемого сигнала. Только в этом случае на экране ЭЛО может быть получено неподвижное изображение исследуемого сигнала. Управление блоком синхронизации может осуществляться непосредственно исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация «Вн»), напряжением, поступающим от внешнего источника сигналов (внешняя синхронизация «Вш»), или напряжением частоты 50 Гц, поступающим от питающей промышленной сети (синхронизация «от сети»).

Канал управления яркостью луча Z предназначен для подачи в цепь модулятора ЭЛТ периодической последовательности прямоугольных импульсов напряжения известной частоты от внутреннего генератора или от внешнего источника. Этот канал служит в основном в качестве калибратора длительности исследуемых периодических и апериодических электрических сигналов, то есть для расшифровки осциллограммы по горизонтальной оси.

С помощью канала Z яркость луча можно отрегулировать так, чтобы при отрицательных значениях прямоугольных импульсов свечения на экране ЭЛТ не было. При этом получается штриховое изображение осциллограммы. Расстояние между началами светлых штрихов пропорционально периоду калиброванного сигнала. Так, если частота калиброванного сигнала составляет 2 кГц, то расстояние между штрихами соответствует 0,5 мс.

Для обеспечения точности измерения временных интервалов необходима стабильность частоты поступления импульсов в цепь модулятора, что достигается использованием генераторов с кварцевой стабилизацией.