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

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Через 2-КЗ минуты после включения с помощью ручек «ЯРКОСТЬ», «ФОКУС» и шлица «АСТИГМАТИЗМ» добиваются желаемых параметр ров луча. Далее перемещают луч в пределы рабочей части экрана ручками «<->» и «I».

Для качественного замера прибору дают 15 минут прогреться. После этого выполняют балансировку усилителя вертикального отклонения, для чего проделывают следующие операции: устанавливают тумблер «х!0, х1» в положение «х10», и ручкой «I» устанавливают луч в центре экрана; за­ тем тумблер ставят в положение «х1» и ручкой «Балансир» снова устанав­ ливают луч в центре экрана. Повторяют эти операции до тех пор, пока ли­ ния развертки не перестанет перемещаться при переключении тумблера «х10, х1».

При подготовке прибора к работе необходимо произвести калибров­ ку коэффициента отклонения. Для этого используется точный и стаби­ лизированный по амплитуде и частоте собственный сигнал калибровочно­ го напряжения размахом 100 мВ или 1 В ± 1,5 % и частотой 2 кГц ± 2 %, который следует подавать на вход осциллографа с гнезда «J~l, 2 кГц, 100 мВ» или 1 В. Для повышения точности измерения калибровку следует проводить в том положении тумблера «х1, хЮ», при котором будет произ­ водиться измерение. Калибровку коэффициента отклонения следует про­ водить, как правило, при размере изображения калибровочного сигнала, равном 50 мм. При малых сигналах калибровку можно проводить при раз­ мере изображения калибровочного сигнала, равном 20 мм. При желаемом размере изображения калибровочного сигнала, равном 50 мм, калибровку следует проводить в положениях входного сигнала аттенюатора «2 мВ/см; 20 мВ/см; 0,2 В/см» в зависимости от положения тумблера «xl, х10» и размаха калибровочного сигнала (100 мВ или 1 В). Ручку «Усиление» ста­ вят в крайнее правое положение, подают калибровочное напряжение на вертикальный вход и потенциометром «V», установленным на передней панели прибора, добиваются на экране изображения, соответствующего градуировке. Ручку «Стаб» необходимо повернуть вправо до появления развертки; получив автоколебательный режим, поворотом ручки влево на 5-10° от срыва развертки устанавливают ждущий режим. Выбрать ручкой «Уровень» точку на синхронизирующем сигнале, в которой запускается схема развертки.

Калибровка длительности (коэффициента) развертки проводится тем же сигналом для каждого положения множителя «х1», «х0,2», потен­ циометрами «Калибровка длительности х1» и «Калибровка длительности х0,2», расположенными на правой боковой стенке прибора. Для этого руч­ ку «Длительность» ставят в крайнее правое положение, переключатель развертки в положение 0,5 мс. При калибровке в положение 0,5 мс «хЪ> необходимо совместить 8 периодов калибровочного сигнала с 8 см шкалы, а при использовании множителя «х0,2» - установить один период калиб­

112

Лабораторная работа № 8

ровочного сигнала на 5 см шкалы соответствующим потенциометром ка­ либровки длительности. Для повышения точности измерения размер изо­ бражения калибровочного сигнала по горизонтальной оси должен быть близок к размеру измеряемого временного интервала, т.е. при использова­ нии множителя, например «х0,2», исследуемый сигнал по длительности желательно вписывать в 4-^6 клеток.

После этого прибор готов к работе, и можно приступить к выбору режима работы и проведению необходимых наблюдений и измерений. Пе­ ред измерениями тумблер «_П.» необходимо поставить в положение «-», отрегулировать ручкой «Шкала» яркость подсвета шкалы ЭЛТ. Переклю­

чатель входа вертикального канала «~, ~» необходимо поставить в поло­

жение «~», так как этот режим используется в большинстве случаев и не используется только если у сигнала большая постоянная составляющая.

Д ля измерения напряж ения на стенде установлен понижающий трансформатор 220/12 В со средней точкой. К этому трансформатору под­ ключается фазосмещающая цепочка из конденсатора С; и регулируемого резистора R, (рис.8.4). Напряжения UBC и UCA между собой сдвинуты на 90°. При изменении сопротивления R. меняется угол сдвига между опор­ ным напряжением (например, UB0) и напряжением Uco. Измерение на­ пряжений и построение векторной диаграммы следует производить для амплитудных значений сигналов (для каждой бригады преподаватель ус­ танавливает определенное значение Ri в фазосмещающей цепочке), Син­ хронизация в этом опыте должна быть установлена от исследуемого сиг­ нала или от сети. Векторная диаграмма напряжений для такой схемы для одного значения Ri приведена на рис.8.5.

В

	О
Рис.8.4. Схема опыта	Рис.8.5. Векторная диаграмма

Д ля измерения тока в цепи последовательно с Ri включают образ­ цовое сопротивление R0, которое во много раз меньше Rt. Ток в цепочке находят путем деления падения напряжения на резисторе Ro на величину

этого сопротивления I = — - . Величину Ro в этом опыте следует выбиRo

рать в пределах 10-К20 Ом.

ИЗ

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Д ля измерения угла сдвига фаз собирают схему, показанную на рис.8.6 . Необходимо проследить, чтобы "земляной зажим" осциллографа попадал на среднюю точку трансформатора.

Отрегулировав напряжение, подаваемое на горизонтальный вход с помощью потенциометра R.2, на экране можно увидеть эллипс. Расчетный угол (р находят по формуле

X

<p = arcsin — , (8.4)

А

значения X и А показаны на рис.8.7.

Д ля измерения параметров импульсов на стенде собрано специ­ альное формирующее устройство (ФИ), которое следует подключить к ис­ точнику постоянного напряжения 12-К24 В с соблюдением полярности (рис.8.8). Необходимо помнить, что количественно характеристика формы

114

Лабораторная работа № 8

12 В ФИ

Рис 8 8 Измерение параметров импульса

импульса (рис.8.9) оценивается его основными параметрами, к которым относятся: уровень основания импульса U0, амплитуда импульса Umi; дли­ тельность импульса tM; длительность переднего фронта (или просто фрон­ та) t,^; длительность заднего фронта (спада, или среза) tc ; спад вершины AUm, период повторения импульсов Т, скважность импульса Q=T/tM.

Для определения перечисленных выше параметров импульса требу­ ются точки отсчета, которые могут быть заданы разными способами. Для исключения разнобоя в трактовке параметров импульсов принято отсчи­ тывать длительность импульса по уровню, равному половине амплитуды, а длительности фронта и среза брать между точками, соответствующими 0,1 и 0,9 от амплитуды импульса (с учетом спада вершины).

и,В

т

ди,m

Е

ОЁ

О

	37
В	'С S
э	э
о
	с?
о
	t мс
	Рис.8.9. Основные параметры импульса

115

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

8.5. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

♦список использованного оборудования;

♦принципиальную (функциональную) схему осциллографа;

♦результаты замеров тока и напряжений в фазосмещающем устройстве с построением векторной диаграммы. Угол, полученный на диаграмме, должен быть сопоставлен со значением угла, полученного по фигурам Лиссажу;

♦результаты замеров параметров импульсов;

♦выводы по работе.

8.6.Контрольные вопросы

1.Для чего служит в ЭЛТ модулятор (управляющая сетка)?

2.С какой целью применяются в ЭЛТ бланкирующие пластины?

3.В какой плоскости расположены вертикально отклоняющие пластины?

4.С какой целью установлен на передней панели осциллографа потенцио­ метр «Астигматизм»?

5.Назовите основные функциональные блоки осцшлографа и укажите их назначение.

6.Покажите форму напряжения генератора развертки.

7.Как связаны между собой период исследуемого сигнала и период раз­ вертки при неподвижном изображении на экране прибора?

8.Как производится калибровка вертикального канала?

9.Как производится калибровка горизонтального канала?

10.Объясните, как по фигуре Лиссажу определяется разность фаз двух напряжений.

11.Как измеряется время фронта импульса?

12.Объясните, как остановить горизонтальное перемещение изображения по экрану осциллографа.

13. Сравните непрерывный и ждущий режимы работы генератора раз­

вертки. Дайте рекомендации по выбору режима генератора развертки.

Библиографический список

1. Электрические измерения /Под ред. А.В. Фремке, Е.М. Душиана. -Л.: Энер­ гия, 1980.

2 . Атамалян Э.Г., Портной Ю.В., Чепурнова Ю.Д Методы и средства измере­ ния электрических величин -М .: Высш. шк., 1974.

3. Осциллограф универсальный CI-68. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1980.

4 С1-48Б Осциллограф универсальный низкочастотный. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1977.

5. Мальцев Е.В. Электронный осциллограф и его применение. -М.: Энергия,

1969.

116

Лабораторная работа № 9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

9.1. Цель работы

Изучить физическую сущность различных методов измерения часто­ ты, ознакомиться с техникой измерения и оценить погрешности результа­ тов.

9.2.Задание

1.Ознакомиться с приборами, имеющимися на лабораторном стенде, и внести в отчет их паспортные данные.

2.Подготовить к работе осциллограф, электронно-счетный частото­ мер и звуковой генератор.

3.Подключить к выходу звукового генератора осциллограф и элек­ тронно-счетный частотомер (рис.9.5). Установить на звуковом ге­ нераторе напряжение в пределах 0.5-КЗ В. Измерить с помощью при­ боров по одному значению частоты на каждом поддиапазоне звуко­ вого генератора. Оценить допускаемую погрешность частотомера. Принимая показания частотомера за образцовые, определить отно­ сительные погрешности измерения частоты по калиброванной раз­ вертке осциллографа.

4.Собрать схему, показанную на рис.9.6, и измерить по фигурам Лиссажу значение частоты для 3^-5 точек шкалы звукового генератора (по указанию преподавателя). Фигуры зарисовать и вычислить по­ грешность звукового генератора на этих отметках.

5.Собрать схему, показанную на рис.9.7, и измерить при круговой развертке частоту звукового генератора в 3 +• 5 точках шкалы (по указанию преподавателя). Рассчитать относительную погрешность шкалы в этих точках и сделать предположение о предельных значе­ ниях частоты, которые можно измерить этим методом.

9.3.Теоретические положения

Частота - одна из важнейших характеристик периодического про­ цесса. Она определяется количеством циклов (периодов) сигнала в едини­ цу времени.

В радиотехнике, автоматике, экспериментальной физике, технике связи и т.д. используется диапазон частот от долей Гц до тысяч МГц, т.е. от инфранизких до сверхвысоких частот. Выбор метода измерения частоты определяется ее диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника сигнала и другими факторами. Измерение

117

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

частоты проводится методами непосредственной оценки и сравнения. Из­ мерение частоты методом непосредственной оценки производится часто­ томерами: электромеханическими, конденсаторными, цифровыми (элек­ тронными счетчиками). Измерение частоты сигналов методом сравнения производится с помощью электронного осциллографа, частотно­ зависимого моста переменного тока, гетеродинного частотомера и других средств.

Рассмотрим методы измерения частоты, наиболее часто применяе­ мые в автоматике и энергетике.

Измерение частоты по калибровке электронного осциллографа

Широкое применение находит метод измерения частоты с помощью электронного осциллографа по калибровке генератора развертки. Для из­ мерения периода колебаний этим методом необходимо правильно выбрать частоту развертки, ручку «Длительность» у переключателя развертки по­ ставить в крайнее правое положение, сделать неподвижным изображение на экране и определить период колебаний X по изображению в сантимет­ рах. Зная масштаб времени по горизонтальной оси шх и длину X, соответ­ ствующую периоду, можно найти период Тх и частоту fx :

Тх = т х Х,	(9.1)
	(9.2)

Этот метод прост, но погрешности его редко бывают ниже 2 %, зато легко могут перешагнуть за 10%.

Измерение частоты с помощью электронно-счетного частотомера

Принцип действия электронно-счетного частотомера (ЭСЧ) основан на подсчете числа периодов измеряемой частоты за интервал времени, формируемый из образцовой частоты. Обычно ее вырабатывает кварцевый генератор. Интервал времени At задается путём подсчета заданного коли­ чества колебаний образцовой частоты. За время интервала исследуемый сигнал частотой fx совершает

n = At • fx

(9.3)

колебаний. Число колебаний п считает цифровой счетчик. Измеряемая час­ тота равна

Обычно время At выбирают равным 10т , где ш - целое число, при­ нимающее значения от -3 до 2. Структурная схема ЭСЧ приведена на рис.9.1.

118

Лабораторная работа -У? 9

fx

Рис.9.1 Структурная схема электронно-счетного частотомера

Сигнал измеряемой частоты поступает на формирующее устройство, которое преобразует его в импульсы прямоугольной формы, частота кото­ рых равна частоте входного сигнала. С выхода формирующего устройства импульсы поступают на электронный ключ. Сигнал образцовой частоты поступает на схему формирования времени отсчета, которая открывает электронный ключ на время At. Для повышения точности измерения часто­ та fo6p берется с кварцевого генератора, а время tc4=At, кратное частоте fo6p. образуется с помощью цифрового счетчика. Погрешность ЭСЧ при измерении частоты определяется выражением

8о +	100%
	(9.5)

^х*сч где 5о - относительная погрешность по частоте опорного генератора (у

прибора Ф5137 50=5-1O'6 %); tc4 - время счета, с; fx - измеряемая частота. Из (9.5) видно, что допускаемая относительная погрешность измере­

ния частоты электронно-счетным частотомером состоит из двух состав­ ляющих. Первая обусловлена погрешностью генератора опорной частоты, а вторая связана с дискретностью счета импульсов (±1 импульс за время измерения). Чем ниже частота и меньше время счета, тем меньше импуль­ сов поступит на счетчик и тем больше составляющая погрешности из-за дискретности счета. Следовательно, на низких частотах надо выбирать большое время измерения либо измерять период и пересчитывать его в частоту.

Осциллографический способ определения частоты по фигурам Лиссажу

Осциллографический способ определения частоты по фигурам Лис­ сажу применяется для измерения частоты от 10 Гц до 10-^20 Мгц. В этом случае генератор развертки у осциллографа отключается, напряжение из­ меряемой частоты подается на один вход осциллографа, а напряжение об­ разцовой частоты - на второй. Физическая сущность метода заключается в

119

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

том, что луч электронной трубки изменяет свои координаты в зависимости от величины и частоты напряжения, подаваемого на систему отклонения луча как по вертикальной, так и по горизонтальной оси. Форма фигуры за­ висит от кратности измеряемой и образцовой частот, соотношения фаз электромагнитных колебаний, а частота вращения - от разности частот. На рис.9.2 показаны формы фигур при различных соотношениях фаз и частот сигналов на входах осциллографа.

		0	lt/4	It/2	ън*	7t
1		/		о
2	o	o	■		V?	O O
3	у	\ /	О О О		О О О	чУЧ,

Рис.9.2. Фигуры Лиссажу

При сложной форме фигуры Лиссажу необходимо мысленно провес­ ти через неё две прямые линии, минуя узлы, - горизонтальную и верти­ кальную. Отношение числа m пересечений горизонтальной прямой с фигу­ рой к числу п пересечений вертикальной прямой с этой фигурой даст от­ ношение частот. Можно для определения кратности частот фигуру Лисса­ жу мысленно вписать в прямоугольник и сосчитать число касаний его од­ ной горизонтальной стороны m с фигурой и число касаний одной верти­ кальной стороны п. На рис. 9.3 показано, как это выполняется в том и дру­ гом случае при условии подачи образцовой частоты f^p на вход X, а изме­ ряемой fx на вход Y.

Ф	о	-	с	х	т
m _ fx		_ 4
П	f«6p	~ 2	n	f 06p	1

Рис.9.3 Способы определения измеряемой частоты по фигурам Лиссажу

Сделать фигуру Лиссажу неподвижной нелегко. Если не удается по­ лучить неподвижную фигуру, то необходимо подсчитать число повторе­ ний изображения фигуры q за определенное время t и вычислить разност­ ную частоту по формуле

Д ^ обрfx=q/t-

(9.7)

120

Лабораторная работа Л? 9

Далее необходимо прибавить (или вычесть) разностную частоту к результатам расчета по отношению m/n.

Измерение частот по фигурам Лиссажу применяется обычно при кратности измеряемой и образцовой частот не более 6 . При больших крат­ ностях по фигуре трудно определить отношение m/n.

Измерение частоты при помощи осциллографа с круговой разверткой

Схема включения осциллографа для измерения частоты методом круговой развертки приведена на рис.9.4.

Рис.9.4. Схема включения осциллографа

Напряжение образцовой частоты с цепочки RC подается на оба вхо­ да осциллографа. Напряжение измеряемой частоты подается на модулятор электронно-лучевой трубки (вход Z на задней стенке прибора). При этом fo6p>fxЕсли отношение fx/fo6P - целое число, то на экране появляется пунктирная окружность. Физическая сущность метода заключается в том, что при положительной полуволне напряжения на модуляторе яркость све­ тового луча на экране увеличивается, а при отрицательной - уменьшается (или луч совсем гасится). Число светлых штрихов п равно кратности неиз­ вестной и образцовой частот. При fx=fo6p. на экране осциллографа появля­ ется половина светлой окружности или половина светлого эллипса. Если частоты fx и fo6p не кратны, то фигура будет вращаться. Для определения Д1Клр.-п - fx достаточно заметить положение одного штриха пунктирной окружности на экране прибора и определить время полного прохождения этого штриха по траектории окружности t. Разностную частоту можно вы­ числить по формуле

fc6p.n~fx=Af =7-

(9-8)

121