• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тема. Електронні вимірювальні прилади

Лекція №13.

План

1 Електронні прилади для вимірювання напруги

2 Елетронні прилади для вимірювання струму

3 Електронні осцилографи

Найпростіший електронний прилад для вимірювання на­пруги — вольтметр постійного струму (він же й мілівольт­метр) — складається з:

подільника напруги високого опору ПН;

транзисторного підсилювача ТП;

магнітоелектричного вольтметра V та джерела живлення

ДЖ(рис. 5.1).

Основою вольтметра є електронний мікроамперметр з номінальним струмом 5 мкА, у котрого резистор R_ш являє собою шунт із номінальною напругою 25 мВ.

Мілівольтметр і вольтметр із цього мікроамперметра одержали шляхом приєднання до вказаного шунта ряду ре­зисторів R10...R18, які разом з опором R_ш складають подільник напруги.

На рисунку показано подільник напруги з окремими гніздами для кожної номінальної напруги вольтметра. У ба­гатьох випадках більш зручним вважають перемикання ве­личин номінальних напруг за допомогою перемикача, але таке рішення не завжди доцільне, зважаючії на величину опорів резисторів, що відповідають найбільшим напругам (а величина опору резистора R18 сягає 150 МОм). Бо за таких величин опорів навіть наявність пилу на ізоляційній платі, де закріплено контакти перемикача, може суттєво змінити величину опору між початковим і кінцевим виводами цьо­го резистора, а отже і внести похибку при вимірах високих напруг.

У розглянутій схемі (рис. 5.1) резистори RЗ і R6 створю­ють початкове зміщення на базах транзисторів Т1 і Т2, що дає можливість вибрати найбільш доцільну ділянку характе­ристики підсилення транзисторів з метою одержання кутів відхилення покажчика мікроамперметра, пропорційних вимірюваним напругам. Для початкового встановлення нуля на мікроамперметрі при відсутності вимірюваної на­пруги при дещо відмінних характеристиках транзисторів Т1, Т2 у схемі підсилювача передбачено регульований резистор R7.

Паралельно-зустрічно з'єднані діоди Д1 і Д2 захищають транзистори Т1 і Т2 від пошкодження в разі помилкового вмикання значної вимірюваної напруги, коли прилад має вимірювати напруги меншої величини. У таких випадках деяке допустиме підвищення напруги хоч на одному з діодів призведе до значного зменшення опору цього діода і до шунтування ним входу підсилювача, а також і до збільшен­ня падіння напруги на опорах подільника напруги.

Звичайно, застосування транзисторного підсилювача дає можливість створити вольтметр з дуже великим вхідним опором, відповідно малими споживаними струмом та потужністю, що у десятки разів менші, ніж у електроме­ханічних приладів. Але часто й ці малі струми можуть бути сумірними зі струмами, що є у схемах, контрольованих подібними вольтметрами, і це призводить до зміни режиму схеми, де виконують вимірювання. Зовсім незадовільними можуть бути результати вимірювань цими вольтметрами, якщо в процесі вимірювань доводиться змінювати межі вимірювань напруги, що призведе до ступінчастої зміни ре­жиму роботи схеми, де застосовано такий електронний вольтметр.

Ці небажані явища значною мірою зменшені в електрон­них вольтметрах, де підсилювач виконано на польових транзисторах, які не потребують струму для керування ни­ми, бо керуються не струмом, а електричним полем, ство­реним вимірюваною напругою.

Звичайно, і при використанні таких транзисторів потрі­бні подільники напруги, щоб змінювати межі вимірювань, але, по-перше, порівняно з попереднім, величину опорів подільників можна ще збільшити, а, по-друге, подільники можна виконати з постійною величиною опору, бо зміну границь вимірювання можна досягти перемикаючи вхід підсилювача на різні частки подільника.

Схему електронного вольтметра з підсилювачем на по­льових транзисторах зображено на рис. 5.2. У цього вольтметра величина опору між вхідними гніздами становить 10 МОм незалежно від положення перемикача границь вимірів П.

Щоб вимірювати напругу змінного струму, у вхідне коло подібних вольтметрів вмикають напівпровіднико­вий випрямляч. У цьому разі доцільно роздільно градуюва­ти шкалу вольтметра V — одну на постійному струмі, а ін­шу — на змінному. Іноді намагаються використати ту саму шкалу для вимірювань напруг як постійного, так і змінного струму, але це дещо складніше.

Дуже малі струми, порядку одного — кількох мікроам­пер, звичні для мікроелектронних схем, не можна виміряти електромеханічними приладами, не впливаючи на режим роботи схеми, де проводять ці виміри. Але за наявності попереднього підсилення струму десь у 10...50 разів, вимірю­вання і таких малих величин струмів стає можливим. Таке підсилення можна здійснювати за допомогою паралельно-балансної схеми, що є основним вузлом електронного мікро-амперметра, зображеного на рис. 5.3. На основі аналогічної схеми виконано й електронний вольтметр (див. рис. 5.1). Схожість основних вузлів цих схем призводить до того, що часто виробляють комбіновані прилади, за допомогою яких вимірюють і напруги, і струми при нескладних перемикан­нях.

Для вимірювання струмів після введення в дію вимика­ча В, за допомогою змінного резистора R7 встановлюють такі величини струмів зміщення, що проходять крізь резис­тори R5 і R6, при наявності яких покажчик мікроамперме-тра, ввімкнутого між колекторами транзисторів T1І і Т2, перебуватиме на нульовій позначці шкали. Після цього з надходженням вимірюваного струму I_в, який створює деяку напругу на резисторі R_щ, з'являється різниця напруг між ба­зами транзисторів Т1 і Т2 та змінюються струми, що прохо­дять крізь бази цих транзисторів. Це збільшує колекторний струм одного транзистора та, водночас, зменшує колектор­ний струм іншого, а в результаті призводить до відхилення покажчика мікроамперметра. Величина струму, що відповідає відхиленню покажчика приладу до кінцевої по­значки шкали при номінальному значенні вимірюваного струму I_вн, регулюється зміною величини регулювального опору R6. Цього можна досягти й змінюючи величини опо­ру шунтового резистора R_щ, але робити це небажано, бо доцільно, щоб величина цього опору була такою, аби при номінальному значенні вимірюваного струму I_вн величина напруги, що є в цьому випадку між точками а і б схеми, ма­ла б величину, кратну одній з дозволених Держстандартом величин номінальних напруг вольтметрів. У цьому разі при­лад може бути використаний і як мікроамперметр, і як мілівольтметр з малим власним споживаним струмом.

Стійкій роботі підсилювача у розглянутій схемі (рис. 5.3) сприяє наявність негативного зворотного зв'язку, створюва­ного в емітерних колах транзисторів опорами RЗ і R4.

Звичайно, повірка електронного мікроамперметра з номінальним струмом у кілька мікроампер пов'язана зі значними труднощами через нестачу відповідних зразкових приладів високого класу точності чи зразкових мір опору значної величини для використання їх у вимірювшіьних схемах з потенціометрами.

Електронний осцилограф — це вимірювальний прилад з електронно-променевою трубкою, призначений для дослідження та реєстрації швидкоплинних процесів у електричних колах.

У більшості випадків електронні осцилографи викорис­товують для досліджень періодично змінюваних про­цесів. Але при використанні електронно-променевих трубок з післясвіченням осцилографами можна користу­ватись і для досліджень неперіодичних, одноразових процесів. Цими приладами можна вимірювати величини напруги, струму, частоти, зсуву фаз, досліджувати форму кривої змінної напруги, визначати характеристики магнітних матеріалів та нелінійних опорів.

їх можна використовувати як нуль-індикатори у схемах порівняння напруг змінного струму.

Власне прилади, що їх називають "електронними осцило­графами", було б правильно називати осцилоскопами, бо вони самі, без фотографічного апарата, кіно- або те­левізійної камери не здатні записувати чи вирисовувати вимірювані величини, а дають змогу їх лише розглядати. Але таку назву за ними закріплено історично й написи з та­кою назвою друкують у технічних описах цих приладів і по­значають на корпусах.

У зв'язку з тим, що основним вузлом у електронному ос­цилографі є електронно-променева трубка, доцільно роз­глянути її будову (рис. 5.4):

Виконана ця електронно-променева трубка на основі скляного балона 1, виготовле­ного з товстого скла, здатного витримати атмосферний тиск, бо з балона відкачано повітря. На передню частину балона зсередини нанесено люмінісцентний екран, який має здатність світитися у тому місці, куди влучатиме елек­тронний промінь. У трубці підігрівач 2 при проходженні по ньому струму розжарювання розігріває циліндричний катод З з оксидним покриттям, яке полегшує випромінювання з нього електронів. Катод з боків і спереду оточений керую­чим елементом — модулятором 4, який має у своїй круговій частині невеликий отвір, крізь який частина електронів, ви­промінювана катодом у вигляді розфокусованого променя, прямує повз перший анод 5, фокусуючий електрод 6, елек­троди вертикальної розгортки 7, електроди горизонтальної розгортки 8, повз другий анод 9 на люмінісцентний екран 10. На шляху проходження крізь перший анод 5 та фокусуючий електрод 6 електронний промінь остаточно фоку­сується, так що у місці його падіння на екран 10 діаметр променя не перевищує 0,5...0,7 мм.

Підігрівач 2 живиться змінним струмом при напрузі 6,3 В. Напруга на модуляторі 4 негативна відносно катода З і становить від кількох десятків до кількох вольт. Змінюючи величину напруги модулятора відносно катода, можна регу­лювати кількість електронів, що вилітають крізь отвір моду­лятора, і тим самим змінювати яскравість свічення екрана у місці падіння сфокусованого на нього електронного проме­ня. За досить значної негативної напруги на модуляторі еле­ктрони не протікатимуть крізь отвір у модуляторі й екран не світитиметься. Перший анод 5 призначений для початково­го прискорення електронів, наявних у промені, а фокусую­чий електрод — для зведення променя в точку на екрані, вкритому люмінофором. Другий анод призначено для оста­точного прискорення електронів (напруга на ньому досягає 1800...2500 В).

Бувають електронно-променеві трубки, де фокусування виконують, змінюючи напругу на першому аноді, а окремо фокусуючого електрода немає.

Пари пластин 7і 8 призначено для відхилення електрон­ного променя у напрямі потрібної координати. Ці відхилен­ня будуть тим більшими, чим більшою буде напруга між відповідними пластинами. Напрям відхилення залежатиме від полярності напруги, прикладеної до відповідної пари пластин.

Залежно від найвірогіднішої швидкості процесу, який спостерігатимуть на екрані трубки, люмінісцентні покриття екранів можуть бути малоінерційними, з середнім часом післясвічення (до 0,1 с), чи інерційними. Після того як процес уже закінчився, інерційні покриття можуть зберігати зобра­ження на екрані ще протягом 10... 16 с, а то й більше.

Структурно-функціональну схему електронно-промене­вого осцилографа показано на рис. 5.5. Досліджуваний електричний сигнал подають на гнізда, позначені як У. Подільником напруги ПНУ величина напруги досліджува­ного сигналу знижується до рівня, придатного для підси­лення на попередньому підсилювачі ППУ (а це десяті — соті частки вольта) і підсилюється ним, а потім і підсилю­вачем вертикального відхилення ПВВ, вихідні затискачі якого з'єднано з пластинами вертикального відхилення електронного променя електронно-променевої трубки ЕПТ. Разом з тим попередньо підсилений досліджуваний сигнал через правий (на схемі) контакт перемикача сигналів син­хронізації П_синх проходить на вхід пристрою синхронізації ПС, а через нього — на генератор розгортки ГР, який гене­рує напругу пилкоподібної форми, такої, як показано на рисунку. Після підсилення цієї напруги підсилювачем ПГВ, напруга створює між вертикально розташованими пласти­нами горизонтальної розгортки електричне поле, яке з ча­сом рівномірно збільшуючись, відхиляє електронний промінь. Якщо напруги на гніздах У немає, то цей промінь креслить на екрані осцилографа горизонтальну пряму лінію.

Якщо ж напруга на гніздах є, то на електронний промінь одразу діятимуть дві взаємноперпендикулярні си­ли, завдяки чому цей промінь креслитиме залежність на­пруги, прикладеної до гнізд У, від часу, наприклад сину­соїду напруги мережі, якщо гнізда У з нею десь з'єднані, тощо.

Важливе значення у роботі осцилографа має пристрій синхронізації ПС, який дає змогу за допомогою попередньо підсиленої напруги U_У керувати роботою генератора розгортки, а точніше — примушувати його починати роботу, тобто пересувати електронний промінь упоперек екрана у певний час, наприклад у момент початку збільшення напру­ги Uy від нуля у позитивний бік. Це сприятиме тому, що за періодично горизонтальної розгортки всі наступні зобра­ження періодично-змінної напруги точно накладатимуться одне на одне і зображення на екрані буде стійким, як неру­хомий рисунок.

При бажанні керувати розгорткою за допомогою зовнішнього сигналу, перемикач синхронізації (П_синх) пере­водять у положення "З" (зовнішня). В цьому разі внут­рішній зв'язок між напругою U_Y , що спостерігається, і роз­горткою розривається.

У більшості осцилографів (окрім показаних на схемі пе­ремикачів) є ще перемикач виду розгортки: "періодична — чекаюча". Періодична — це та, що працює весь час роботи осцилографа й синхронізується періодичною досліджува­ною напругою Uу або зовнішніми сигналами.

Чекаюча розгортка — це така, що зовсім не працює за відсутності напруги U_Y. В цьому разі на екрані є лише світна крапка (звичайно з лівого боку), а розгортка починає діяти лише з моменту появи напруги U_Y . Такою розгорткою доцільно користуватись при дослідженні випадкових чи імпульсних процесів. Якщо ці процеси не повторюються, то доцільно користуватись осцилографом, у якому електрон­но-променева трубка має значне післясвічення, бо в разі його відсутності спостерігач не встигає розгледіти подро­биці процесу.

Іноді необхідно розглядати водночас дві напруги у взаємодії. У таких випадках перемикач П_роз, який перево­дять у нижнє положення, зовсім вимикає розгортку, а на пластини X, що керують променем, подають поділену ПНХ і підсилену підсилювачами ППХ і ПГВ напругу, шо надхо­дить із гнізд X.

У цьому разі на екрані електронно-променевої трубки будуть викреслюватись так звані фігури Ліссажа, за якими можна визначити величину кута зсуву фаз між напругами U_Х і U_У, досить точно виміряти величину частоти невідомого джерела змінного струму тощо.

Читайте також:

1. Агроценоз як система.
2. Аналітичні стереофотограмметричні прилади.
3. Аналогові вимірювальні прилади
4. Аналогові обчислювальні електронні машини.
5. Арматура та вимірювальні прилади, якими обладнуються відцентрові насоси
6. Багатоелектронні атоми.
7. Банківська система.
8. Бюджет і бюджетна система.
9. Бюджет і бюджетна система.
10. Бюджетний устрій та бюджетна система.
11. Бюджетний устрійпоказує, в який спосіб побудована бюджетна система. Іншими словами,він відображає організацію вертикальної структури бюджету держави за рівнями влади.
12. Бюлетені та інші інформаційні матеріали, електронні видання

Переглядів: 2095