§ 29. Определение временных характеристик быстро протекающих процессов
Рис. 124. Виброграф:
1 — катушка, 3 — бумажная лента, 3 — пружина, 4 — пишущее устройство. 5 — стальная пластина, о — якорь, 7—сердечник, 8 — корпус, 9 — скоба, 10 — влит
Временные характеристики быстро протекающих процессов получают с помощью специальных приборов: вибрографов, свето-лучевых и электронных осциллографов.
Виброграф (рис. 124)—несложный прибор, состоящий из электромагнита с сердечником 7 и катушкой 1, помещенного в корпус 8, якоря 6 пишущего устройства 4, установленного на стальной пластине 5, соединенной с якорем 6 и закрепленной на скобе 9. При подключении катушки электромагнита к сети промышленной частоты стальная пластина колеблется с частотой 100 Гц в вертикальной плоскости, а карандаш пишущего устройства 4 вычерчивает кривую синусоидальной формы на бумажной ленте 2, перемещаемой перпендикулярно плоскости чертежа под действием механизма, у которого снимают временную характеристику. Зная время одного периода колебаний пластины 5 (0,01 с), нетрудно определить время движения соответствующей части исследуемого механизма и скорость этого движения. Для регулирования амплитуды колебаний пластины 5 служит винт 10. Карандаш пишущего устройства 4 прижимается к бумажной ленте 2 пружиной 3.
Светолучевой осциллограф позволяет наблюдать и записывать временные характеристики исследуемого оборудования или соответствующих процессов с помощью тонкого луча света на перемещающейся с определенной скоростью фотопленке, фотобумаге или дневной бумаге, не требующей проявления. Устройство светолучевого осциллографа показано на рис. 125. Осциллограф имеет гальванометр 4, оптическую систему, обеспечивающую формирование тонкого луча света, поступающего от осветителя /, направление его на зеркало гальванометра 4, подачу отраженного луча на записывающее устройство 6 со светочувствительным материалом и развертывающее устройство 8 с экраном 5 для визуального наблюдения исследуемого процесса.
На рис. 125 показано устройство петлевого осциллографического гальванометра, подвижная часть которого в виде петли (шлейфа) 6 из тонкой бронзовой ленты помещена между полюсами постоянного магнита 7. Петля натянута пружиной 5 и опирается на призмы 3. На петлю наклеено зеркальце 2. Зажимы 1 предназначены для подключения гальванометра к исследуемой электрической цепи, а винт 4 — для регулирования натяжения петли.
В другой конструкции осциллографического гальванометра нет постоянного магнита. Подвижная часть (рамка), заключенная в корпус, представляет собой сменный элемент осциллографа, вставляемый в одно из гнезд магнитного блока. Этот сменный элемент называют гальванометром-вставкой или рамочным гальванометром.
Рис. 126. Петлевой осциллографический гальванометр:
1 — зажимы, 2 — зеркальце.
3 — призма, 4 — винт, 5 — пружина, 6 — шлейф, 7 — полюса постоянного тока
Рассмотрим работу светолучевого осциллографа. При подведении к гальванометру переменного тока его подвижная часть (для петлевого гальванометра — петля) будет колебаться в поле постоянного магнита с частотой подведенного переменного тока.
Зеркальце также будет совершать колебательные движения с амплитудой колебания (углом поворота), пропорциональной силе тока, протекающего по петле, и той же частотой подведенного переменного тока. Луч света, поступающий от осветителя / (см. рис. 125) и ограниченный диафрагмой 2, призмой 3, направляется на зеркало гальванометра 4. Отраженный луч света идет к призме 9, где расщепляется. Одна часть его поступает на вращающийся зеркальный барабан 8, развертывающий луч так, чтобы он описывал на экране 5 временной график исследуемого переменного тока, а другая — через линзу 7 на записывающее устройство 6.
Промышленностью выпускаются различные многоканальные (содержащие по нескольку гальванометров) светолучевые осциллографы.
Двенадцатиканальный универсальный светолучевой осциллограф HI 15 позволяет производить ультрафиолетовую запись на фотобумаге, не требующей химического проявления (бумага УФ), или фотографическую запись с химическим проявлением. Максимальная ширина фотобумаги 120 мм. Емкость кассеты 25 м. Источник света — ртутная лампа сверхвысокой яркости мощностью 100 Вт.
Скорость движения фотобумаги может регулироваться ступенями от 0,5 до 10 000 мм/с. Предельная скорость записи на фотобумаге с химическим проявлением чувствительностью (500 ед. ГОСТ) 2600 мм/с.
Комплект приборов К115 включает осциллограф HI 15 с блоком питания и блоком магазинов шунтов и добавочных сопротивлений, размещенных на монтажном столе. Этот комплект позволяет регистрировать токи до 6 А и напряжения до 600 В. Схема комплекта предусматривает возможность дистанционного управления режимом его работы.
Осциллографические гальванометры выбирают по чувствительности Sj, рабочей частоте /р (рабочая частота /р осциллографического гальванометра обычно в 2—3 раза меньше его собственной частоты fo в воздухе) и максимально допустимой силе тока /макс, исходя из следующих условий:
где fx — частота исследуемых колебаний; h — ширина носителя записи (пленки или экрана); d — толщина записываемой или наблюдаемой линии (следа светового луча); Ах макс И мин — максимальная и минимальная амплитуды исследуемых величин.
Скорость V записи периодических процессов с частотой fx при выбранной длине / одного периода определяют по формуле V = lfx.
Для непериодических процессов продолжительностью t при выбранной длине I осциллограммы скорость записи подсчитывают по формуле
Возможности светолучевых осциллографов, как и всяких электромеханических аппаратов, ограничены из-за недостаточного быстродействия. Применяют их для исследования периодических процессов, протекающих с частотой до нескольких тысяч герц, и кратковременных разовых процессов длительностью не менее нескольких долей миллисекунды.
Рис. 127. Электроннолучевой осциллограф:
1 — электроннолучевая трубка, 2 — входная цепь, 3 — усилитель вертикального отклонения, 4 — усилитель горизонтального отклонения, 5 — генератор пилообразного напряжения, 6 — блок питания; I— III — положения перемычки;
П1—ПЗ — переключатели
Электроннолучевые осциллографы — преимущественно однолучевые, позволяют наблюдать периодические процессы и широком диапазоне частот (от единиц до сотен миллионов герц) и кратковременные продолжительностью короче тысячных долей микросекунды при уровне исследуемых величин от десятых долей милливольта до нескольких киловольт. Электроннолучевые осциллографы имеют большое входное сопротивление (от сотен тысяч Ом до нескольких мегом) и позволяют исследовать не только протекание отдельных процессов во времени, но и зависимость одного процесса от другого, с ним связанного (например, зависимость магнитного потока или индукции от силы намагничивающего тока в магнитных элементах).
Электроннолучевой осциллограф (рис. 127) состоит из элекроннолучевой трубки 1, входной цепи 2, усилителей вертикального 3 и горизонтального 4 отклонения, генератора пилообразного напряжения 5 и блока питания 6.
Основным элементом осциллографа является электроннолучевая трубка 1, представляющая собой электровакуумный прибор, в котором электронный поток, испускаемый катодом К, проходит через модулятор М и после фокусировки и ускорения анодами А1 и А2 попадает на экран Э (слой люминофора — вещества, (способного светиться под действием ударяющихся в него заряженных частиц, например электронов). Пластины В и Г образуют развертывающую систему, обеспечивающую перемещение электронного пучка по вертикали (вертикальное отклонение) при приложении напряжения к пластинам В и по горизонтали (горизонтальное отклонение) при приложении напряжения к горизонтальным пластинам Г.
Обычно к горизонтальным пластинам подводят равномерно возрастающее напряжение, обеспечивающее горизонтальное перемещение конца электронного луча примерно на всю ширину экрана, после чего напряжение быстро уменьшается и опять начинает равномерно нарастать. Такое напряжение в виде пилообразных импульсов получают от специальных генераторов пилообразного напряжения.
Исследуемое напряжение Uy через входную цепь 2 и усилитель вертикального отклонения 3 подводят к пластинам В вертикального отклонения, которые смещают конец луча по экрану на величину, пропорциональную величине подведенного напряжения.
В результате воздействия на электронный луч пилообразного и исследуемого напряжений, подведенных соответственно к пластинам Г и В, на экране появляется изображение графика исследуемого процесса, выражающего зависимость мгновенных значений напряжения Uv от времени.
Яркость изображения зависит от плотности электронного луча и регулируется изменением напряжения, подведенного к модулятору М реостатом rl. Фокусируют электронный луч реостатом г2, изменяя напряжение, подводимое к первому аноду А1 (напряжение, подводимое к аноду А2, обычно подгоняют при первоначала ной настройке осциллографа после его изготовления).
Рис. 128. Релейный коммутатор для электроннолучевого осциллографа: PI11 и РП 2 — поляризованные реле, С1 — СЗ — конденсаторы, Тр — трансформатор
Одной из важных характеристик электроннолучевой трубки является ее чувствительность, т. е. величина отклонения (в миллиметрах) светового пятна на экране на 1 В напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. Если при подведении к отклоняющим пластинам напряжения U светящееся пятно сместится на h мм, то чувствительность мм/В. В современных осциллографах применяют электроннолучевые трубки с чувствительностью 0,15—1,5 мм/В. При очень большом уровне Uy подносимого сигнала его ослабляют обычно при помощи емкостно-резисторного делителя напряжения, который имеется во входной цепи перед усилителем. Если уровень сигналов Ux и Uv достаточен для необходимого отклонения электронного луча, эти сигналы можно подвести непосредственно к выводам отклоняющих пластин х и у, устанавливая переключатели П1 и П2 в верхнее положение.
Рис. 129 Фигуры Лиссажу
При малых уровнях Ux и Uv сигналов их подают к выводам Вход х и Вход у, от которых они попадают на входы усилителей 3 и 4, а затем к отклоняющим пластинам. При этом переключатели П1 и П2 должны быть установлены в нижнее положение, при котором отклоняющие пластины соединяются с выходами усилителей.
При использовании электроннолучевого осциллографа для одновременного исследования нескольких процессов нужно иметь или многолучевой осциллограф, снабженный специальной многолучевой трубкой, или многоканальный — представляющий собой обычный однолучевой осциллограф, снабженный быстродействующим коммутатором, поочередно подводящим к зажимам Вход у
исследуемые объекты или соответствующие контролирующие величины, например ток и напряжение одного объекта.
Для большинства пусконаладочных работ достаточно обеспечить возможность наблюдения двух процессов при сравнительно низких частотах. В этих случаях целесообразно применять двухканальный релейный коммутатор (рис. 128), который имеет рва поляризованных реле РП1 и РП2 (например, РП4), импульсный трансформатор Тр и конденсаторы С1—СЗ. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к выходу генератора пилообразного напряжения осциллографа ЭО, а вторичная обмотка через контакты реле РП2 — к обмоткам реле РП1 и РП2. Вход осциллографа подключается контактами реле РП1 через входные цепи rl и г2 к исследуемым объектам Объект 1 и Объект 2.
При работе осциллографа импульсы напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора Тр, Которые образуются при обратном ходе луча, управляют реле РП1 и РП2. После одного периода пилообразного напряжения контакты реле переключились в левое положение, показанное на рисунке, и на вход осциллографа подводится напряжение от Объекта 1\ в следующий период пилообразного напряжения контакты реле РП1 и РП2 переключатся в другое положение (на рисунке правое) и на вход осциллографа будет подводиться напряжение от Объекта 2. Такой процесс повторяется через каждый период пилообразного напряжения, вследствие чего на экране осциллографа появятся графики, характеризующие процессы, происходящие в обоих объектах.
При использовании электроннолучевого осциллографа для исследования взаимной связи двух процессов или двух параметров одного процесса служат оба входа однолучевого осциллографа, подключаемые определенным образом к двум исследуемым объектам или двум участкам одного объекта, с которых снимаются соответствующие величины, взаимную связь между которыми требуется Исследовать. При этом можно определить параметры электрической цепи, измерить частоту исследуемого напряжения и определить его фазовый сдвиг относительно тока или другого напряжения, наблюдать кривые намагничивания электромагнитных аппаратов, вольт-амперные характеристики электронных приборов и выполнять многие другие измерения и наблюдения, некоторые из которых рассматриваются далее.
Для двух синусоидальных напряжений, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую частоту и амплитуду, при одинаковой чувствительности осциллографа по вертикальной и горизонтальной осям на экране электроннолучевой трубки появится изображение в виде прямой линии, расположенной под углом 45° относительно горизонтальной оси.
При неравенстве амплитуд исследуемых напряжений эта прямая линия будет располагаться под другим углом относительно горизонтали, в пределах от 0 по 90°.
При сдвиге по фазе исследуемых напряжений на экране появится эллипс, переходящий в окружность, когда угол между исследуемыми напряжениями равен 90° (рис. 129).
Если исследуются напряжения с разными частотами, на экране электроннолучевой трубки появится изображение фигуры Лиссажу и тем сложнее, чем больше кратность частот. При этом любая фигура Лиссажу вписывается в прямоугольник, стороны которого соответственно равны амплитудам исследуемых напряжений. На этом основано определение частоты одного из исследуемых напряжений, отношение которой к частоте другого напряжения равно отношению числа касаний фигуры Лиссажу к одной из вертикальных сторон прямоугольника к числу касаний той же фигуры Лиссажу с одной из горизонтальных его сторон.
Обычно при измерении частоты исследуемого напряжения подводят это напряжение к одному из входов осциллографа, а к другому входу — напряжение эталонного генератора и изменяют частоту эталонного генератора до тех пор, пока она не сравняется с частотой исследуемого напряжения. При этом фигура Лиссажу имеет простую форму (круг, эллипс, прямая).
Если измеряемая частота fx близка к частоте f0, кратной частоте fa эталонного генератора, фигура Лиссажу, имеющая форму, соответствующую данной кратности частот, будет медленно вращаться. При этом число оборотов в секунду будет точно соответствовать разности частот Af=fo — fx.
Рис. 130. Схема включения осциллографа при круговой развертке с подведением исследуемого и эталонного напряжений к отклоняющим пластинам
Если число точек касания фигуры Лиссажу со сторонами описанного около нее прямоугольника обозначим тип, то
Этот метод обеспечивает высокую точность при измерении частоты исследуемого напряжения, однако им следует пользоваться только при сравнительно небольшой кратности измеряемой и эталонной частот, не превышающей 6—8, поскольку при больших кратностях фигуры Лиссажу имеют очень сложную форму.
В других случаях удобно пользоваться круговой разверткой. Для этого собирают схему (рис. 130). Вначале исследуемые напряжения U\ и Иг включают поочередно и, регулируя величины г и С, добиваются в каждом случае появления на экране осциллографа окружности. Затем одновременно подводят напряжения Ux и U2. На экране появится фигура Лиссажу, которая будет неподвижна, если отношение
выражается отношением двух целых чисел А и N2. Общее число выступов фигуры Лиссажу N=Ni + N2.
Рис. 131. Фигуры Лиссажу при круговой развертке:
а — для отношения частот 3/2, б —для отношения частот 7#3
Электронный луч при непрерывном движении от одной вершины к другой пропускает Ai ~ 1 промежуточных вершин, Iito позволяет определить Ni и Л/2, а следовательно, и частоту исследуемого напряжения.
Рис. 132. Схема включения осциллографа при круговой развертке с подведением исследуемого напряжения к модулятору электроннолучевой трубки: x и y — пластины, С — конденсатор, г — резистор, г — генератор, эо — осциллограф
Рекомендуется отрегулировать подводимые напряжения так, чтобы амплитуда напряжения большей частоты /2 была несколько меньше амплитуды напряжения меньшей частоты fi. Такая схема предназначена для электроннолучевых трубок, не имеющих внутреннего соединения между вертикальными и горизонтальными пластинами, но может использоваться и для трубок с внутренним соединением одной горизонтальной и одной вертикальной пластин, если ее дополнить разделительным трансформатором. На рис. 131 показаны фигуры Лиссажу для отношения частот Д /А =3/2, N=5, N\=2 (рис. 131, а) и = 7/3, N ==10 и 3 (рис. 131,6).
Можно производить измерение частоты исследуемого напряжения по схеме (рис. 132). К пластинам х и у подводятся синусоидальные напряжения от фазосдвигающей цепочки, состоящей из резистора г и конденсатора С, подключенной к эталонному генератору Г. Напряжение, частота которого fx подлежит измерению, подводится к модулятору электроннолучевой трубки (вход z осциллографа ЭО). Это напряжение изменяет яркость пятна, в результате чего появляется ряд светящихся дуг, разделенных темными промежутками. При кратном соотношении частот эталонного генератора и исследуемого напряжения светящиеся дуги будут неподвижны и по их числу можно судить о соотношении сравниваемых частот.
При наличии в электроннолучевой трубке центрального электрода напряжение высшей частоты подается на этот электрод.
На экране появится изображение в виде зубчатого колеса. Соотношение частот определяется в этом случае числом зубцов осциллограммы.
Контрольные вопросы
Какие временные характеристики определяют при пусконаладочных работах?
Какие приборы применяют для определения временных характеристик?
Каково устройство электросекундомера ПВ-53Л?
Начертите схемы включения электросекундомера при измерении времени замыкания, размыкания и переключения контактов электрических аппаратов.
Каково устройство вибрографа и как им пользуются для получения виброграмм электрических аппаратов?
Каковы устройство и принцип действия электромеханического осциллографа?
Как работают электронные осциллографы и из каких основных блоков они состоят?
