Завдання та порядок виконання роботи

4. Вивчити призначення, принцип дії, характеристики та принципову схему осцилографа згідно з технічним описом до приладу.

5. За принциповою схемою побудувати структурну схему осцилографа.

6. Провести аналіз послідовних перетворень вимірювального сигналу за структурною схемою осцилографа.

7. Вивчити регламент проведення вимірювань та зняти амплітудно-частотні характеристики RC- та LC-фільтрів.

Контрольні запитання

1. Призначення осцилографів та область застосування.

2. Навести структурну схему каналу вертикального відхилення вимірювального сигналу.

3. Навести структурну схему каналу горизонтальної розгортки вимірювального сигналу.

4. Лінії затримки, їх функції, типи.

5. Охарактеризувати методи синхронізації та горизонтальної розгортки вимірювального сигналу.

6. Основні технічні характеристики осцилографів.

Література

1. Б.Я.Авдеев, Е.М.Антонюк, Е.М.Думкин и др. “Основы метрологии и электрические измерения”. Ленинград, Энергоатомиздат, 1987 г.

Вивчення характеристик термоелектричних вимірювальних перетворювачів теоретичні відомості

Пристрій, який перетворює вхідний сигнал у функціонально пов’язаний з ним вихідний сигнал називається перетворювачем. По характеру застосування розрізняють вимірювальні перетворювачі та енергетичні перетворювачі. Вимірювальний перетворювач - це засіб вимірювань, який призначений для перетворення вхідного вимірювального сигналу або фізичної величини у вихідний сигнал, придатний для дальнійшого перетворення, обробки, зберігання вимірювальної інформації у формі, непридатній для безпосереднього споживання спостерігачем ( на відміну від приладу, де вимірювальний сигнал відображається у формі, придатній для безпосереднього сприйняття спостерігачем). Вимірювальний перетворювач може складатись з одного або декількох перетворюючих елементів.

Різниця між вимірювальним перетворювачем та перетворюючим елементом полягає в тому, що вимірювальний перетворювач, як засіб вимірювання, має нормовані метрологічні характеристики і виконується у вигляді незалежного пристрою певного класу точності. Перетворюючий елемент характеризується ненормованою характеристикою перетворення і його похибка лімітується похибкою приладу, у склад якого він входить. Вимірювальний перетворювач, який знаходиться першим у колі послідовно-сполучених перетворювачів, називається первинним. До вимірювальних перетворювачів відносять також датчики. Це засіб вимірювань, який являє собою конструктивно завершений пристрій, розміщений у процесі вимірювань безпосередньо в зоні досліджуваного об’єкту і виконує функцію вимірювального перетворювача.

Класифікація вимірювальних перетворювачів проводиться по декільком показникам. В залежності від вхідної та вихідної величини, вимірювальні перетворювачі поділяються на:

- перетворювачі електричних величин у електричні (наприклад дільники напруги, струмів). Це так звані перетворювачі розміру електричної величини або перетворювачі однієї електричної величини у іншу (шунти, додаткові опори);

- перетворювачі неелектричних величин у неелектричні. Це так звані перетворювачі розміру тої чи іншої неелектричної величини, наприклад тиску, моменту сили, редуктори і т.д.;

- перетворювачі неелектричних величин у електричні.

По функції перетворення ВП класифікуються:

- масштабуючі, які змінюють у певне число раз розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи;

- функціональні, які здійснюють однозначне функціональне перетворення вхідної величини із зміною її фізичної величини або без нього;

- операційні, які виконують над вхідною фізичною величиною операції вищого порядку - диференціювання або інтегрування по часовому параметру.

Основною характеристикою ВП є функція перетворення (ФП):

(1)

де Y та Х - істинні значення при теоретичному аналізі та дійсні при експериментальних дослідженнях вхідної та вихідної величин. Оскільки істинна функція перетворення принципово не може бути визначена, то користуються дійсною функцією перетворення, яка максимально наближена до істинної. Оскільки ФП окремих однотипних ВП відрізняються між собою, то ВП у нормативних документах на даний тип ВП присвоюють усереднену функцію перетворення або деяку математичну функцію, яка максимально наближена до неї.

Присвоєна ВП функція називається номінальною (паспортною або градуювальною характеристикою.

Іншою характеристикою ВП є коефіцієнт перетворення (КП) і визначається через відношення:

(2)

Номінальний КП:

(3)

За допомогою номінального КП вихідна величина величини Y може бути приведена до вхідної Х:

- ФП окремого ВП

називають прив’язаною ФП. При одержується номінальна прив’язана ФП:

(4)

Похідна від функції перетворення називається чутливістю ВП:

(5)

Принцип дії термоелектричного перетворювача (термопари) заснований на використанні термоелектричного ефекту, суть якого полягає у виникненні термо-е.р.с. е_ в колі, яке складається з двох різнорідних провідників або напівпровідників, які називають термоелектродами, якщо температура ₁ і ₂ відповідних частин перетворювача різні (рис. 1,а).

Певної теорії термоелектричних явищ на сьогодніщній день не існує. Виникнення термо-е.р.с. пояснюється сумарною дією двох термоелектричних ефектів: явище Томпсона та явище Зеєбека. Явище Томпсона полягає у встановленні на кінцях однорідного провідника, який має температурний градієнт, деякої різниці потенціалів внаслідок того, що електрони дифундують від гарячого кінця провідника до холодного.

Рис.1. Явища Томсона (а) та Зеєбека (б).

Виникаюча термо-е.р.с. Томпсона рівна:

(6)

де t - коефіцієнт Томпсона для даного провідника.

Якщо скласти коло з двох різних однорідних провідників a i b, то сумарна термо-е.р.с. Томпсона рівна різниці термо-е.р.с. Томпсона кожного провідника:

(7)

де та - коефіцієнти Томпсона відповідно для провідників a i b.

Суть явища Зеєбека полягає в наступному. При дотиканні двох різнорідних провідників у місці їх контакту виникає контактна різниця потенціалів, обумовлена різною концентрацією носіїв заряду. Зеєбеком було встановлено, що в замкнутому колі двох різнорідних провідників, спаї котрих знаходяться при різних температурах, електрорушійна сила , яка виникає при переході від провідника a до провідника b в точці з температурою , та електрорушійна сила , виникаюча при переході від провідника a до провідника b, мають протилежні знаки і не рівні між собою.

Сумарна термо-е.р.с., виникаюча у колі, яка складається з двох різних провідників a i b, є сумою контактних е.р.с. та е.р.с. Томпсона:

(8)

Ця сумарна термо-е.р.с. для даної пари провідників залежить тільки від значень температури і і може бути представлена як різниця відповідних функцій:

(9)

При малих різницях температури спаїв можна допустити, що термо-е.р.с., яка розвивається термопарою, пропорційна різниці температур спаїв:

(10)

де k - коефіцієнт пропорційності, неодинаковий для різних пар матеріалів термоелектродів.

Якщо один спай помістити в середовище з постійною температурою, наприклад , то виникає термо-е.р.с., яка в загальному випадку являє собою нелінійну функцію від температури :

(11)

Спай термопари, розміщений в досліджуваному середовищі, називають робочим або гарячим, а кінці, температура яких підтримується постійною, - вільними або холодними.

Оскільки в коло термопари підключається вимірювальний прилад або перетворювач, то у місці підключення виникають другі спаї і коло термопари в простому випадку слід розглядати як коло з трьох провідників a, b і c (мал.1,б). Сумарна термо-е.р.с. такого кола рівна:

(12)

Відповідно до закономірності Вольта , останній вираз можна записати так:

(13)

Враховуючи, що:

отримаємо:

(14)

З цього виразу випливає, що якщо температури і на межах третього провідника не рівні, то термо-е.р.с. термопари ab змінюється е.р.с. паразитної термопари bc. Якщо ж , то і , тобто присутність у колі термопари третього провідника, на межах якого температури рівні, не викликає зміни термо-е.р.с. основної термопари.

Вираз дозволяє знаходити термо-е.р.с. любої термопари при відомих термо-е.р.с. інших термопар, утворених кожним із термоелектродів з базовим. Для порівняння термоелектричних характеристик матеріалів створена єдина платинова нормаль, по відношенню до якої знаходять термо-е.р.с., що розвивають найбільш поширеними термоелектродними матеріалами в парі з платиною при температурі робочого спаю і температурі вільних кінців (табл.1).

Таблиця 1. Термо-е.р.с. деяких найбільшпоширених термоелектричних матеріалів

Матеріал	Термо-е.р.с. мВ	Матеріал	Термо-е.р.с. мВ
Кремній	+44,8	Ртуть	0,00
Хромель	+2,4	Паладій	-0,57
Ніхром	+2,2	Цинк	-0,75
Залізо	+1,8	Нікель	-1,2 . . . -1,9
Вольфрам	+0,8	Алюмель	-1,7
Мідь	+0,76	Константан	-3,4
Золото	+0,75	Копель	-4,5
Платинородій (10% родія)	+0,64	Вісмут	-5,2 . . . -7,7
Графіт	+0,32	Молібденіт	-69 . . . -104

Наведені в табл.1 дані дозволяють знайти термо-е.р.с. термоелектричних перетворювачів як алгебраїчну різницю значень термо-е.р.с., що розвиваються відповідними термоелектродними матеріалами в парі з платиною. Поскільки залежність термо-е.р.с. від температури в широкому діапазоні температур нелінійна, то дані таблиці не можна використовувати на більш високі температури. Слід також відмітити, що термо-е.р.с., яка розвивається термоелектродами, багато в чому залежить від незначних домішок, механічної та термічної обробки.

Для вимірювання температур в межах -200°. . . +2500° використовують стандартні технічні перетворювачі температури, які випускаються згідно ГОСТ 6616-74 (табл.2). Таблиці, що градуюються на метрологічні характеристики таких перетворювачів, нормуються ГОСТ 3044-77.

В залежності від призначення термоелектричні перетворювачі діляться на занурені, які призначені для перетворення температури газоподібних середовищ і рідин, і поверхневі, які призначені для перетворення температури поверхні твердого тіла. В залежності від інерційності їх розділяють на малоінерційні, показник (стала часу) теплової інерції яких не перебільшує 5 с для занурених і 10 с для поверхневих; середньої інерційності - не більше 60 та 120 с і великої інерційності, які мають показник теплової інерції до 180 і 300 с.

Окрім стандартних використовують також і спеціальні термоелектричні перетворювачі температури. Це обумовлено прагненням розширити межі перетворення, підвищити точність а також специфікою вимог експлуатації, техніко-економічними міркуваннями. Так, для перетворення низьких температур впритул до температури кипіння водню, знайшли призначення мідь-константанові термоперетворювачі з робочим діапазоном перетворюємих температур 200 . . . +300°С. Для перетворення високих температур (вище 1300 . . . 1800°С) розроблені термоперетво-рювачі на основі тугоплавких металів таких, як іридій, вольфрам, молібден, тантал, ніобій, а також на основі вуглецевих та графітових волокон.

Існують два основні види конструктивного оформлення термоелектричного перетворювача температури. В багатьох випадках з’єднання термоелектродів в робочому кінці виконується електродуговою зваркою, причому попередньо кінці термоелектродів скручують між собою. Застосовують також спайку термоелектродів срібним та олов’яним припоєм в залежності від верхньої температурної межі перетворення. Тугоплавкі термоелектроди вольфрам-ренієвих та інших перетворювачів часто з’єднують лише скруткою, оскільки при дуже високих температурах плівка окису на електродах не створює великого електричного опору.

Термоелектроди, електрично пов’язані в робочому кінці, ізольовані один від одного по всій довжині. При цьому, якщо верхня межа перетворення термоперетворювача не перевищує 100 . . . 120°С, то можна використовувати любий ізоляційний матеріал. При межі, що перевищує 100 . . . 120°С, використовують фарфорові одно або двоканальні трубки або бруси. Так як при температурах більше ніж 1300°С, у фарфора значно погіршуються електроізоляційні властивості, то в перетворювачах високих температур використовують ізоляційні трубки з окису берилію, алюмінію, магнію, двоокису торію, цирконію, нітриту бору. Робочий кінець чутливого елементу розміщений в електроізоляційній кінцівці. Вільні кінці термоелектродів підводяться до клем контактної колодки. Чутливий елемент, який розташований в захисній арматурі, засипаний керамічним порошком та загерметизований. В залежності від верхньої температурної межі перетворення та агресивності, захисна арматура може бути виконана з нержавіючої сталі, окису алюмінію, карбіду кремнію. В термоперетворювачах із захисною арматурою, яка виконана із ізоляційного матеріалу, робочий кінець чутливого елементу дотикається до стінки захисної арматури (електроізоляційна кінцівка відсутня.).

Основними причинами похибок термоелектричних перетворювачів є неоднорідність матеріалів термоелектродів, зміна температури вільних кінців, шунтуючий вплив опору міжелектродної ізоляції, тимчасові зміни властивостей термоелектродів і т.д.

Стандартом нормується тільки похибка градуювання. Одночасно інші її складові можуть суттєво вплинути на результат зміни температури. Особливо суттєвими можуть бути похибки, які викликані тимчасовими змінами властивостей термоелектродів, обумовлені забрудненням термоелектродів в зоні градієнта температур домішками з навколишнього середовища або захисних оболонок, зміною процентного співвідношення між компонентами термоелектродів в результаті випаровування деяких компонентів. Ці похибки можуть бути вирахувані тільки шляхом визначення дійсної функції перетворення і введення поправок.

Похибку від зміни температури вільних кінців зменшують шляхом її термостабілізації та автоматичного введення поправок, а похибку, яка шунтується дією опору міжелектродної ізоляції - підбором відповідних ізоляційних матеріалів.