Сборник ЛР по «Метрология», «Электрические измерения», «Информационно-измерительная техника»

Лабораторная работа N9 7

ТМ1

Рис.7.6. Схема подключения аппарата АИТ

Изменение сопротивления нагрузки Z обеспечивается изменением количества вставленных в нее штырей. Чем их больше, тем меньше сопро­

тивление нагрузки.

7.6. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

♦список оборудования. Принципиальную схему аппарата АИТ (рис. 7.2), схему его включения (рис. 7.6), таблицу экспериментальных и расчет­ ных данных (табл.7.1);

♦графики изменения погрешностей по току и углу в зависимости от 12 и

нагрузки вторичных цепей ТТ;

♦заключение о классе точности TAX;

♦схему включения измерительных трансформаторов (рис.7.5), результаты замеров и расчет погрешностей 6|А, 5IV ,5,w;

♦обоснованные выводы по работе.

7.6. Контрольные вопросы

I Где и для чего применяются измерительные трансформаторы?

2.Перечислить классы точности трансформаторов.

3.От чего зависят классы точности трансформаторов?

101

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

4 Какие погрешности измерительных трансформаторов влияют на пока­

зания счетчиков, амперметров?

5.Почему нельзя размыкать под нагрузкой вторичную цепь трансформато­ ра тока?

6Поясните принцип работы ЛИ Т при измерении погрешностей ТТ.

7.Поясните принцип работы АИТ при измерении сопротивления нагрузки.

8.Как зависят погрешности ТТ от величины нагрузки вторичной цепи, от

еекоэффициента мощности?

9.Как и для чего проводят размагничивание ТТ?

10.Что происходит с магнитным потоком ТТ. если увеличивается количе­ ство приборов, включенных во вторичную цепь, при измененном значении тока //?

11.Как изменятся пределы измерения аппарата АИТ?

12.Постройте векторную диаграмму ТТ, поясните, в каких случаях угловая погрешность будет положительной, а когда отрицательной.

13.Какие имеются пути для уменьшения погрешностей ТТ?

14.Как определить погрешности поверяемого ТТ, если известны погрешно­ сти образцового ТАО и показания по АИТ?

15.Для чего в схему аппарата А И Т включают указатель тока?

16.Нарисуйте векторы первичного и вторичного токов трансформатора тока и на полученном рисунке покажите угловую и токовую погрешно­ сти.

17.Объясните, что такое номинальный и действительный коэффициенты трансформации трансформатора тока.

18.Что более опасно для трансформатора тока - короткое замыкание или обрыв вторичной цепи?

19.Что более опасно для трансформатора напряжения - короткое замыка­ ние или обрыв вторичной цепи?

20.Чем различается конструкция трансформаторов TCI и ТС2 в схеме АИТ? Зачем такое различие необходимо?

21.Что можно сказать о токе в дифференциальном сопротивлении г в слу­ чае, когда погрешности поверяемого и образцового трансформаторов одинаковы?

22.Мож но ли определить погрешности испытуемого трансформатора тока, не зная погрешностей образцового?

Библиографический список

1.Электрические измерения /Под ред. А.В. Фремке. - JT.: Энергия, 1980.

2.Электрические измерения /Под ред. Е.Г. Шрамкова. - М.: Высш. шк., 1972.

102

Лабораторная работа N° 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И НЕКОТОРЫЕ СЛУЧАИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

8Л. Цель работы

Научиться пользоваться осциллографом при исследовании процессов в электрических цепях, а также понимать его функциональную схему, на­ значение отдельных узлов и органов управления.

8.2.Задание

1.Ознакомиться с устройством и принципом действия осциллографа.

2.Подготовить осциллограф к работе. Проверить калибровку коэф­ фициента отклонения по вертикальной оси и калибровку длитель­ ности по горизонтальной оси.

3.Измерить с помощью электронного осциллографа напряжения на элементах схемы (рис.8.4) и построить треугольник напряжений при одном значении сопротивления фазосмещающей цепочки, за­ данном преподавателем. Включить последовательно с цепочкой RiCi образцовое сопротивление Ro и измерить ток. Измерить по фигурам Лиссажу угол сдвига между напряжением, питающим це­

почку R|Cb и напряжением на активном сопротивлении Rj (рис.8.6).

4. Подключить к выпрямителю 12 В формирующее устройство (рис.8.8) и измерить параметры его выходных импульсов (рис.8.9).

8.3. Теоретические положения

Устройство и принцип действия осциллографа

Электронный осциллограф - универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения и фотографирования электри­ ческих сигналов и измерения их параметров.

Осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, стро­ боскопические, запоминающие, специальные, вычислительные, цифровые. Во всех осциллографах, кроме цифровых, для отображения информации используется электронно-лучевая трубка (Э ЛТ). В цифровых осциллогра­ фах, как правило, используют матричный индикатор.

Принцип действия электронного осциллографа, построенного на базе электростатической ЭЛТ, состоит в отклонении сфокусированного электронного луча напряжением на пластинах X и Y, в результате чего луч на экране чертит сложную траекторию, след которой можно наблюдать. Это возможно потому, что экран ЭЛТ покрыт люминофором, атомы кото­ рого, возбуждаемые электронным лучом, испускают видимый свет.

103

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Принцип действия осциллографа поясняет рис.8.1, где схематично изображен экран ЭЛТ и показано расположение вертикально отклоняющих пластин Y и горизонтально отклоняющих пластин X.

UP= U X

------ — 0 Ux 0 ------------

Рис.8.1 Принцип действия электронного осциллографа на базе электростатической ЭЛТ

Если на пластины Y подать переменное напряжение (исследуемый сигнал)

( 8. 1)

где U m- амплитуда сигнала; со - круговая частота сигнала, а на пластины X напряжение, линейно возрастающее с увеличением времени (напряже­ ние развертки)

( 8.2)

Р

то луч перемещается по горизонтали слева направо с постоянной скоро­ стью и за время прямого хода tnp, когда напряжение развертки линейно возрастает, пройдет через весь экран. За время обратного хода t0BP луч перемеспггся в исходную точку и потом процесс с периодом ТР будет повто­ ряться. В то же самое время луч под действием напряжения исследуемого сигнала, поданного на пластины Y, будет перемещаться вверх и вниз в со­ ответствии с мгновенным значением сигнала по формуле (8.1). Если пери­ од сигнала Тс и период развертки Тр совпадают, то на экране луч каждый период будет двигаться по одной и той же траектории, т.е. изображение исследуемого сигнала будет неподвижно (рис.8.1). Строго говоря, на эк­ ране конец периода исследуемого сигнала, соответствующий обратному

104

Лабораторная работа № 8

ходу луча t0BP, не отобразится, но это не видно невооруженным глазом, т.к. t0Bp« t np.

Величина отклонения луча в любой момент времени составляет:

Y и X, равные отношениям смещений светового луча на экране в мм к приложенным к пластинам напряжениям в В, вызвавшим эти смещения.

Осциллограф, содержащий только ЭЛТ с блоком питания, работо­ способен, однако на практике весьма неудобен. Это обусловлено тем, что исследуемые сигналы имеют амплитуду от долей милливольта до сотен вольт, а частота может изменяться от нуля до сотен МГц.

Перед подачей на пластины Y сигналы с малой амплитудой надо усилить, а с большой ослабить, т.е. нужен усилитель с аттенюатором, при­ чем, чем шире его полоса пропускания, тем лучше. В канале горизонталь­ ного отклонения X, кроме усилителя, нужен генератор с широким диапа­ зоном изменения времени развертки Тр и дополнительными устройствами, обеспечивающими синхронизацию с исследуемым сигналом. Все эти узлы есть в любом осциллографе.

Рассмотрим устройство универсального осциллографа С1-68.

Функциональная схема осциллографа приведена на рис.8.2, а пе­ редняя панель на рис.8.3. Осциллограф содержит ЭЛТ с блоком яркости, каналы X и Y, калибратор и блок питания.

Электронно-лучевая трубка содержит, помимо рассмотренных выше вертикально (Y ) и горизонтально (X ) отклоняющих пластин, источ­ ник электронов — подогревный катод К ь управляющий электрод С| (моду­ лятор, или сетка), служащий для управления яркостью луча (с ним через блок яркости (БЯ) связана ручка "Я Р К О С Т Ь "). При подаче значительного отрицательного напряжения на модулятор электронный луч может быть совсем заперт и светового луча на экране не будет. При увеличении на­ пряжения на модуляторе увеличивается яркость луча. В БЯ предусмотрен вход Z (на задней панели осциллографа) для модуляции луча по яркости. На него нужно подавать напряжение 2(К50 В с частотой в диапазоне 20 Гц -*• 200 кГц. Входное сопротивление осциллографа по входу

Z равно 1 МОм при входной емкости < 35 пФ.

105

Сборник лабораторныхработ по курсу метрологии

Рис.8.2. Функциональная схемаосциллографа

Рис 8.3. Передни панель осциллографа С1-68

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

За управляющим электродом С1 расположена система бланкирующих электродов, предназначенных для отклонения луча за пределы экрана во время обратного хода импульсом от генератора развертки.

Далее расположены два фокусирующих анода: А 1 - для регулировки ширины луча (связан с ручкой «Фокус»), А2 -для придания лучу круглого сечения (подключен к подстроечному сопротивлению «Астигматизм»),

На вертикально (Y) и горизонтально (X) отклоняющие пластины на­ пряжения могут быть поданы непосредственно (клеммы на боковых пане­ лях). Входное сопротивление пластин составляет 1 МОм при входной ем­ кости 20 пФ. Чувствительность пластин Y SV=1,0 мм/В, а пластин X

Ss =0,6 мм/В. Рядом с клеммами размещены тумблеры включения пластин X и Y. В положении «ОТКЛЮЧЕНО» пластины соединены с выходами каналов X и Y. В положении «ВКЛЮЧЕНО» пластины подключаются к внешним клеммам, но остаются связанными с выходами каналов X и Y че­ рез сопротивления 1 МОм. Неправильное положение тумблеров («ВКЛЮЧЕНО» при подаче сигнала на вход Y) ведет к сужению полосы пропускания осциллографа и к неправильным результатам измерений.

За пластинами расположен основной ускоряющий анод АЗ, обеспе­ чивающий ускорение электронов и повышение яркости изображения.

Канал Y начинается с переключателя S1, задающего вид входа Y: от­ крытый без конденсатора или закрытый, когда включен конденсатор, отсе­ кающий постоянную составляющую сигнала. Далее сигнал поступает на входной аттенюатор (ВА), уменьшающий при необходимости уровень слишком больших сигналов. Аттенюатор имеет переключатель коэффици­ ента деления напряжения, позволяющий ступенчато менять масштаб по вертикали. Сигнал с аттенюатора поступает на входной каскад усилителя (ВК). Каскад снабжен регулятором балансировки, позволяющим скомпен­ сировать смещение нуля усилителя. Входной каскад имеет очень большое входное сопротивление, тщательно защищен от перегрузок, но вот сигнал усиливает слабо. Основное усиление сигнала реализовано в промежуточ­ ном усилителе (ПУ). Там есть возможность плавно менять усиление. Од­ нако делать это надо осторожно, поскольку из-за отклонения усиления от номинального реальный масштаб по Y может отличаться от выбранного переключателем аттенюатора. В некоторых типах осциллографов плавная регулировка усиления отсутствует, что резко снижает вероятность грубых ошибок при измерениях.

Сигнал с промежуточного усилителя ПУ передается на выходной усилитель канала Y (ВУу) через широкополосную линию задержки (ЛЗ). Задержка в канале Y, несколько превышающая задержку запуска прямого хода развертки в канале X, позволяет вывести на экран изображение им­ пульса без потери его начальной части. Усилитель ВУу имеет повышенное напряжение питания и поднимает уровень сигнала до нескольких десятков вольт, необходимых для отклонения луча на весь экран. ВУ связан с руч­ кой перемещения луча по вертикали, меняющей постоянную составляю­

108

Лабораторная работа N° 8

щую его выходного напряжения. С выходного усилителя сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Канал Y определяет такие важные характеристики осциллографа как чувствительность, полоса пропускания, время нарастания переходной ха­ рактеристики канала Y, входное сопротивление осциллографа по входу Y.

Усилитель Y осциллографа С1-68 имеет входное сопротивление 1 МОм, входную емкость 50 пФ, полосу пропускания 0-Н МГц и обеспе­ чивает измерение напряжений любой формы с погрешностью <10 %. Сквозной канал, т.е. усилитель Y, вместе с пластинами характеризуют масштабом, численно равным тому напряжению, которое надо подать на вход усилителя, чтобы луч на экране отклонился на одно деление (1 см).

Масштаб непосредственно в В/см или мВ/см нанесен на входном ат­ тенюаторе (рис. 8.3), что упрощает работу с осциллографом. Например, ес­ ли амплитуда входного напряжения 5В, переключатель масштаба установ-

5 В

лен на Km, =2 В/см, то на экране Y = ---------- = 2,5 см . Усилитель Y имеет, 2 В/см

кроме того, переключатель (тумблер) для ступенчатого изменения масшта­ ба (в 10 раз).

Канал Y выполнен без единого конденсатора в цепи прохождения

сигнала со входа до выхода в режиме открытого входа а балансировка обеспечивает одно и то же положение нулевой линии при переключении коэффициента отклонения. Режим закрытого входа (добавочно вклю­ чается емкость) используется в тех случаях, когда надо проанализировать переменную составляющую напряжения на фоне относительно большой постоянной составляющей.

Канал X состоит из схемы синхронизации (СС), схемы запуска (СЗ), генератора развертки (Г'Р), иногда именуемого генератором пилообразного напряжения, и выходного усилителя ВУХ.

Усилитель ВУХ имеет коэффициент отклонения 1 В/см, входное сопротивление 50 кОм при входной емкости <30 пФ, полосу пропускания 0-Ю,5 МГц. В усилителе X предусмотрена ручка перемещения луча по го­ ризонтали. В зависимости от положения переключателя S3 усилитель по­ лучает сигнал от генератора развертки либо с внешнего входа X, разме­ щенного на передней панели осциллографа. Переключатель S3 имеет фак­ тически три положения. Одно (X) соответствует усилению внешнего сиг­ нала, а два других (х1 и х0,2) подключают усилитель к генератору пилооб­ разного напряжения и задают разные коэффициенты усиления.

Генератор пилообразного напряж ения развертки вырабатывает линейно - возрастающее в течение каждого периода напряжение развертки по закону (8.2), (рис.8.1). Он содержит ступенчатый переключатель мас­ штаба развертки (длительность время/дел.) и ручку плавной регулировки масштаба. Дополнительное пятикратное изменение масштаба достигается

109

Лабораторная работа № 8

Калибратор амплитуды и времени в одном положении переключа­ теля на боковой панели генерируют прямоугольные импульсы частотой 2 кГц и амплитудой 100 мВ (гнездо на передней панели) и 1 В (гнездо на боковой панели). В другом положении переключателя эти же уровни зада­ ются постоянными напряжениями. Калибратор позволяет проверить и при необходимости подстраивать коэффициент отклонения канала Y (масштаб по Y) и масштаб по развертке X, т.е. поддерживать метрологические ха­ рактеристики осциллографа как измерительного прибора.

8.4. Методические указания

Подготовка осциллографа к измерениям.

Перед включением прибора необходимо убедиться в том, что тумб­ лер переключения питающей сети, размещенный на задней стенке осцил­ лографа, установлен в положение «220 В, 50 Гц», т.к. питающее напряже­ ние в лаборатории применяется лишь 220 В, 50 Гц. Органы управления прибором установить в следующие положения:

«Стабильность» - в крайнее правое;

переключатель аттенюатора «V/см, mV/см» - в 2 mV/см; «Усиление» - в крайнее правое (“калибр”); тумблер «х10, х 1» - в положение «х10»;

«I», «<-»» - в среднее; «Балансир» - в среднее; тумблер «Сеть» - отключено;

тумблер « - 0 X, xl, х0 ,2» - в положение «х1»; «Время/см» - в положение 0,5 мс; «Длительность» - в крайнее правое (калибр); «Уровень» -в среднее;

тумблер «-П., - », расположенный на правой стенке, в положение

« - П .» ;

тумблеры «Вкл» переключения пластин (на боковых стенках) - в по­

ложение «+, ~» или « -, ~»; переключатель вида синхронизации - в положение «Внутр.».

Только после этой предварительной подготовки тумблером «Сеть» можно включить осциллограф. При этом должна загораться сигнальная лампа.

111