Лабораторная работа № 41Осциллограф

Введение

Реорганизация государственных метрологических служб, необходимость которой диктовалась переходом страны к рыночной экономике, фактически привела к значительной степени разрушения централизованной системы управления метрологической деятельностью и ведомственных служб. Появление различных форм собственности послужило причиной возникновения противоречий между обязательностью государственных испытаний средств измерений, их поверки, государственным надзором и возросшей степенью свободы субъектов хозяйственной деятельности. К этому добавились и другие проблемы, связанные с необходимостью для России интеграции в мировую экономику, вступления в ВТО и т.д. Таким образом, проблема пересмотра правовых, организационных, экономических основ метрологии стала весьма актуальной.

Юридические нормы, непосредственно направленные на защиту прав и интересов потребителей, в правовом государстве регулируются стабильными законодательными актами. В этой связи положения по метрологии, действовавшие до введения ФЗ РФ «Об обеспечении единства измерений», применяются лишь в части, не противоречащей ему.

ФЗ РФ «Об обеспечении единства измерений» устанавливает следующие виды государственного метрологического контроля:

- утверждение типа средств измерений;

- поверка средств измерений, в том числе эталонов;

- лицензирование деятельности юридических и физических лиц на
право изготовления, ремонта, продажи и проката средств измерений.

Цель работы

Цель данной работы состоит в приобретении студентами навыков практических расчетов погрешностей при измерениях осциллографом, изучить устройство лабораторной установки МСИ 3м и дать предложения по использованию в установке МСИ 3м измерений с помощью осциллографа совместно с мультиметром.

41.1.1Методы измерения величин с применением осциллографа

Магнитные измерения составляют достаточно объёмную часть всей электроизмерительной техники. Объясняется это все более широким использованием магнитных явлений в науке и технике, значительным ростом выпуска ферромагнитных материалов (ФММ) и применением их в электротехнических устройствах, приборах и автоматике.

В основе классификации методов магнитных измерений лежит физическая сущность явлений, используемых для измерительного процесса, т.е. преобразование магнитной величины в электрический сигнал.

Магнитно-мягкие материалы характеризуются магнитными параметрами, измеряемыми в постоянном и переменном полях. Основными измеряемыми характеристиками, в постоянных полях для МММ являются: основные кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса и её параметры (В_г Н_с), начальная и максимальная магнитные проницаемости. ГОСТ 8.377 - 80 устанавливает в качестве основного баллистический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля.

В переменных полях основными характеристиками МММ являются основная динамическая кривая намагничивания, динамическая петля гистерезиса, комплексная магнитная проницаемость и удельные потери. Кроме того, в зависимости от частотного диапазона испытания существует ещё целый ряд определяемых характеристик и параметров. Наиболее часты испытания МММ в частотном диапазоне 50 Гц - 10 кГц. Основными методами испытания в этом диапазоне частот являются: индукционный с использованием амперметра, вольтметра, ваттметра; индукционный с использованием фазочувствительных приборов (феррометрический); индукционный с использованием потенциометра переменного тока; индукционный с использованием феррогафа визуально-измерительных методов - осциллографический; индукционный с использованием стробоскопических преобразователей; параметрический (мостовой).

Осциллографическим способом пользуются для измерения и визуального наблюдения основной динамической кривой намагничивания, семейства симметричных петель гистерезиса, потерь в образцах на частотах от 50 до 500 Гц. К недостаткам способа следует отнести необходимость замеров на экране осциллографа, что связано с увеличением объективных и субъективных погрешностей отсчёта.

Наиболее точным из индукционных методов испытания МММ является потенциометрический, основанный на измерении сигналов, пропорциональных В и Н, с помощью потенциометров переменного тока. Этим способом определяются зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля, составляющие комплексной магнитной проницаемости, полные потери. Достоинствами способа являются высокая точность измерения и широкий диапазон измеряемых величин. К недостаткам относятся: длительность процесса измерения, высокая стоимость используемой аппаратуры и её сложность.

Сущность стробоскопического способа измерения заключается в том, что исследуемые периодически изменяющиеся сигналы произвольной формы умножаются на так называемый строб-импульс. При этом перемножение в каждом последующем периоде происходит со сдвигом во времени на некоторый интервал (шаг считывания) по отношению к предыдущему. В результате можно произвести и затем воспроизвести считывание всего периода исследуемого сигнала по точкам. Это даёт возможность подобно феррометрическому способу использования для регистрации быстроизменяющихся процессов инерционных самопишущих и цифропечатающих приборов. Основным достоинством стробоскопического способа измерения является возможность получения документальной информации о характеристиках ФММ в процессе перемагничивания последних.

Существуют и другие методы испытания МММ в динамическом режиме перемагничивания, однако технико-эксплуатационные характеристики устройств на их основе не эффективны в условиях массовых испытаний. Однако наиболее наглядным методом испытания МММ с применением других сочетаний является осциллографический метод, поэтому мы останавливаемся на рассмотрении средств измерений - типы осциллографов.

41.1.2 Многообразие применения осциллографов

Осциллографы используют для наблюдения и записи быстро протекающих процессов.

По принципу действия осциллографы бывают трех типов:

1) электромеханический;

2) электронный;

3) электронно-лучевой.

Электромеханический осциллограф состоит из следующих узлов: вибраторов, оптической системы, приспособления для наблюдения и фотографирования исследуемого тока. Вибратор представляет собой натянутую бронзовую ленточку в виде петли и находится в поле постоянного магнита. Ток, проходящий по петле, взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего появляется вращающий момент, под действием которого петля и прикрепленное к ней зеркальце повернуться в ту или иную сторону в зависимости от направления тока в петле, а угол отклонения будет пропорционален мгновенному значению тока. Луч света от лампы через диафрагму и фокусирующую линзу попадает на зеркальце вибратора. Отраженный от него луч через фокусирующую линзу падает на поверхность движущейся светочувствительной бумаги или кинопленки. Часть луча света с помощью призмы отбрасывается на вращающийся многогранный зеркальный барабан и отражается от него на матовый экран. При одновременном движении луча света, отраженного от колеблющегося зеркальца, и равномерном вращении барабана луч света вычертит на экране кривую исследуемого тока.

Осциллографы могут иметь несколько десятков вибраторов для одновременной записи нескольких различных процессов на фотобумаге (кинопленке), скорость движения которой устанавливается в пределах от 1 до 5000 мм/с. Электромеханические осциллографы могут записывать процессы с частотой от нуля до 5 - 10 кГц.

Электронный осциллограф позволяет наблюдать периодические процессы с частотой до сотен мегагерц. Основной частью осциллографа является вакуумная электронно-лучевая трубка. Под действием тока накала катод К излучает электроны, которые с помощью сетки и анодов А1 и А2 формируются в электронный луч и направляются на экран, покрытый слоем люминофора. Измеряемое напряжение прикладывается к паре горизонтально расположенных пластин; вторая пара пластин расположена вертикально, и к ней приложено периодически изменяющееся во времени линейное напряжение «развертки». Если частоты периодических напряжений совпадают, то светлое пятно на экране за время Т будет следовать с постоянной скоростью по горизонтали и одновременно смещаться по вертикали под действием напряжения, прочерчивая в результате кривую исследуемого напряжения.

Электронно-лучевой осциллограф используется для визуального наблюдения, измерения и регистрации формы и параметров электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков мегагерц. К ним могут быть отнесены электромеханические осцил­лографы (так называемые «шлейфовые») и разного рода самописцы и большая группа приборов с электронно-лучевой трубкой — электронно­лучевые осциллографы (ЭЛО).

Электронно-лучевой осциллограф - один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Разработаны и используются раз­личные типы электронно-лучевых осциллографов: универсальные, ско­ростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Возмож­ность наблюдения формы исследуемого сигнала и одновременное изме­рение его параметров выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов.

На основе совершенствования первоначальной схемы универсально­го осциллографа (его обозначение С1 —...) создан целый ряд специали­зированных приборов:

- С7 —... скоростные стробоскопические;

- С8—...запоминающие;

- С9 —... специальные, в том числе цифровые.

Иногда эти разновидности бывают объединены в одном приборе. Выбор маркировки зависит от разработчика.

Самые распространенные универсальные осциллографы позволяют ис­следовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне от долей милли­вольт до сотен вольт. Полоса пропускания лучших универсальных ос­циллографов составляет 300...400 МГц. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновременно с появлением сигнала на вхо­де, поэтому такие приборы называют осциллографами реального време­ни. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными бло­ками, расширяющими их функциональные возможности.

Электронно-лучевые осциллографы обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью, подразделяются на универсальные, запоминающие, специальные и др., могут быть одно- , двух- и многолучевыми.

В настоящее время существует огромное количество моделей осциллографов. Рассмотрим некоторые из них.

Осциллограф АКТАКОМ АСК- 1021 с шириной полосы пропускания 25 МГц

Данный осциллограф является прибором лабораторного типа. Простота в обращении и высокая надежность делают его идеальным прибором с превосходными характеристиками для широкого спектра измерений, необходимых в исследованиях, производстве, в сфере образования и во многих других сферах применения.

Осциллограф С8 - 33

Осциллограф двухканальный цифровой запоминающий С8 - 33 предназначен для оперативного исследования однократных сигналов с максимальной частотой дискретизации 20 Мвыбси периодических сигналов с максимальным временем разрешения 100 пс в полосе частот от 0 до 20 МГц размахом от 10 мВ до 16 В (до 160 В с внешним делителем 1:10) путем регистрации их в цифровой памяти, отображения на экране электронно-лучевой трубки и цифрового измерения амплитудных и временных параметров. В осциллографе устанавливается интерфейс для устройств с последовательным обменом информацией в соответствии с рекомендациями. Область применения осциллографа: ремонт, наладка, эксплуатация различных электронных приборов и узлов автоматики, вычислительной техники, связи, сложной электронной техники, научные исследования.

Осциллограф универсальный С1-65

Осциллограф универсальный С1-65 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров в цеховых, лабораторных и полевых условиях эксплуатации.

Прибор удовлетворяет требованиям ГОСТ 22261-94, нормалей НО.005.026-030, а по условиям эксплуатации приборов к 7 группе нормали НО.005.026.

Осциллограф С1-104

Осциллограф универсальный С1-104 предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров периодических и однократных электрических процессов в диапазоне частот от постоянного тока до 500 МГц путем:

- измерения амплитудных и временных параметров исследуемого
сигнала в диапазоне от 0,04 до 8 В, с выносным делителем 1:10 И22. 727.
082 - до 10 В, с активным пробником И22.746. 036 - до 24 В и временных
интервалов в диапазоне от 4 10 ⁹ до 0,5 с;

- одновременного изображения двух исследуемых сигналов на одной
развертке.

Осциллограф предназначен для работы в лабораторных и цеховых условиях и может использоваться для исследовательских, поверочных и ремонтных работ.

По метрологическим характеристикам осциллограф С1 – 104 соответствует II классу точности.

Осциллограф – мультиметр С1 – 155

Осциллограф-мультиметр С1 – 155 предназначен для визуального наблюдения, электрических сигналов.

Прибор позволяет измерять как периодические, так и однократные электрические сигналы. Имеет встроенный интерфейс RS – 322 и встроенный мультиметр.

Создание прибора преследует цель заменить устаревший парк универсальных запоминающих осциллографов, повысить удобство их эксплуатации, уменьшить погрешность измерений амплитудно-временных параметров исследуемых сигналов при существенном снижении массы, габаритов и потребляемой мощности.

Осциллограф универсальный С1 – 77

Универсальный осциллограф С1 – 77 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения в диапазоне частот от 0 до 10 МГц, измерения размахов в диапазоне от 0,01 до 200 В и временных интервалов от 0,08*10"⁶ до 0,4 с.

Наличие двух каналов вертикального отклонения обеспечивает одновременное исследование двух сигналов на одной развертке.

Осциллограф относится ко II классу точности.

Осциллограф предназначен для использования при разработке, настройке и регулировке радиоэлектронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1 – 125

Осциллограф С1 – 125 предназначен для исследования формы периодических электрических сигналов путем визуального наблюдения их формы, измерения амплитуды и временных параметров методом калиброванной шкалы.

Двухканальный осциллограф С1 – 125 с полосой пропускания 10 Мгц отличается компактной конструкцией, небольшой массой и простотой управления.

Имеет повышенную надежность, прост по конструкции в эксплуатации. Применяется при проектировании, наладке и ремонте электронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1 – 159

Осциллограф С1 – 159 предназначен для наблюдения и измерения электрических сигналов в реальном масштабе времени в диапазоне напряжений от 8 мВ до 60 В и длительностей от 80 не до 0,2 с в полосе частот от 10 Гц до 10 мГц. Может применяться при производстве, разработке и эксплуатации радиоэлектронных изделий, а также в ходе учебного процесса в школах, вузах по курсам электротехники, электроники и.т. д.

Осциллограф С8 – 23

Осциллограф предназначен для исследования и измерения периодических сигналов в полосе частот 0-20 МГц и однократных сигналов, регистрируемых с максимальной частотой дискретизации 1 МГц. Прибор обеспечивает цифровое запоминание, цифровое измерение напряжения в диапазоне амплитуд от 5 мВ (с активным пробником - от 5 мВ) до 80 В (с делителем - до 200 В) и временных интервалов в диапазоне длительностей от 200 не до 8000 с. Кроме этого, производится автоматическая обзорная установка размеров изображения в пределах рабочей части экрана, автоматическое измерение размаха, периода и длительности с выводом результатов измерения на экран электронно­лучевой трубки.

Осциллограф имеет самодиагностику и выход в канал общего пользования (КОП). Размеры рабочей части электронно-лучевой трубки оставляют 80 мм (10 делений) по горизонтали и 60 мм (8 делений) по вертикали.