Органы управления осциллографом
Основными органами управления осциллографом являются переключатели "Чувствительность", "Скорость развертки", ручки "Уровень синхронизации", "Яркость", "Фокусировка" и т.д. При работе с осциллографом следует обращать внимание на то, чтобы ручки "Усиление плавно" и "Скорость развертки плавно" стояли в положении "Калиброванно". Только в этом случае реальная чувствительность и скорость развертки соответствуют надписям на панели прибора. Более подробно о назначении органов управления и работе с ними можно узнать из технического описания осциллографа.
Выполнение работы
1. Включите осциллограф. Выберите автоматическую развертку. Найдите луч. Так как ко входу усилителя ничего не подключено, луч должен представлять собой горизонтальную прямую. Установите луч в центре экрана по вертикали. При подаче на вход осциллографа исследуемого сигнала последний будет вызывать отклонение луча от этого "нулевого" уровня.
2. Подайте на вход осциллографа прямоугольный сигнал со встроенного калибратора. Обратите внимание на положение переключателей "Чувствительность", "Скорость развертки". Пользуясь внутренней синхронизацией и ручками "Уровень синхронизации", "+", "-", получите на экране устойчивое изображение сигнала. Исследуйте "картинку" при различных длительностях развертки.
3. Поставив ручки "Усиление плавно" и "Скорость развертки плавно" в положение "Калиброванно", проверьте правильность калибровки осциллографа по напряжению и времени. При необходимости с помощью преподавателя откорректируйте чувствительность усилителей вертикального и горизонтального отклонений. Какова реальная погрешность измерений относительно калибратора?
4. Подайте на вход осциллографа сигнал с выхода калибратора. Измерьте с помощью осциллографа время нарастания переднего и заднего фронтов прямоугольного импульса, а также его длительность.
5. Подключите ко входу осциллографа звуковой генератор Г3-102. Выберите согласованные параметры генератора и осциллографа. Получите на экране устойчивое изображение. Какую форму имеет сигнал? Исследуйте различные фазы сигнала, наблюдайте изменение сигнала при вариации частоты генератора.
6. Измерьте на осциллографе максимальное напряжение и период колебаний. Сравните полученные величины с параметрами сигнала, выставленными непосредственно на лицевой панели генератора (напряжение - на встроенном вольтметре, частоту - на шкале частот). Насколько хорошо они совпадают? Чем объяснить наблюдаемые расхождения? (Для того чтобы встроенный вольтметр измерял правильно, на генераторе должна быть включена встроенная нагрузка - переключатель "600 Ώ").
7. Оцените, с какой относительной погрешностью 
можно измерить напряжение V и частоту ƒ (время t) при помощи осциллографа. Сделайте оценку самостоятельно и затем сравните ее результат с паспортными данными осциллографа. Можно ли поднять точность измерений?
Контрольные вопросы
1. Назовите основные узлы и блоки осциллографа.
2. Объясните, каким образом на экране осциллографа получается изображение.
3. Пусть частота исследуемого сигнала равна ƒx, а частота блока развертки – ƒp. Сформулируйте условие получения устойчивой "картинки" на экране.
4. Если к осциллографу подключить кабель, имеющий на конце два одиночных вывода, то на экране осциллографа можно зафиксировать сигнал сложной формы. Исследуйте этот сигнал (частота, напряжение). Откуда он берется?
5. Что мы увидим на экране осциллографа, если на вход Xи Y подать один и тот же сигнал, а внутренний генератор развертки отключить?
Лабораторная работа №5
ДАТЧИКИ
Есть у меня шестёрка слуг,
Проворных и удалых,
И всё, что вижу я вокруг,
Все узнаю от них.
Они по зову моему
Являются ко мне,
Their names are What,
And Why, and When,
And How, and Where,
And Who.
R. Kipling
Эти, так называемые, слуги помогают нам познавать мир. Мир мы познаём через ощущения - осязание, обоняние, зрение и слух. Однако эти ощущения дают нам, в основном, только качественную информацию о мире.
Точное количественное значение физической величины можно определить передать в измерительный прибор с помощью некоторого устройства (измерительного устройства) – датчика. Результат преобразования величины выдаётся датчиком в форме какого-либо физического сигнала: высоты столба жидкости в термометре, деформации биметаллической пластины, значения силы тока или напряжения в электрической цепи и т.д. Показания датчика калибруются в соответствии с некоторым эталономизмеряемой физической величины. В промышленности и бытовых приборах датчики используются, например, для измерения температуры, давления, влажности, освещённости и т.п.
Датчики температуры
1. Термопара.
Широкое распространение при измерениях температуры в технике нашли термопары, обладающие рядом преимуществ перед обычными термометрами. Они имеют бóльшую чувствительность и малую инерционность, позволяют проводить измерения в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения. Термопара состоит из двух соединённых (обычно спаянных) между собой разнородных металлических проводников. Для термопар чаще всего используют следующих пары металлов: медь-константан, железо-медь, железо-константан, нихром-никель, нихром-константан, хромель-алюмель (позволяет измерять температуры до 600 oC), платина - платинородиевый сплав (до 1200 oC).
При соединении двух разных металлов на контакте (спае) всегда существует так называемая контактная разность потенциалов. Величина контактной разности потенциалов зависит от температуры контакта. Представим, что два проводника, изготовленных из разных металлов, соединены последовательно в замкнутую цепь. В этой цепи имеются два контакта между проводниками. Если оба контакта находятся при одинаковой температуре, то контактные разности потенциалов на них равны по величине, но при обходе цепи будут иметь противоположные знаки. В этом случае электрический ток в цепи идти не будет. Если же контакты поддерживать при разных температурах, то контактные разности потенциалов в замкнутой цепи уже не компенсируют друг друга, и в цепи появится результирующая, так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), и будет идти ток. Это явление называется эффектом Зеебека. Термо-ЭДС можно измерить, если в цепь последовательно включить вольтметр.
Для многих пар металлов термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур в контактах:
E = c× (T2-T1), (1)
где постоянная с зависит от материалов термопары. В таблице 1 приведены значения термо-ЭДС некоторых термопар для разности температур T2-T1 = 100o.
Таблица 1
| Термопара | E [мВ] | Термопара | E [мВ] |
| Медь – константан | 4.25 | Нихром- константан | 6.21 |
| Железо-константан | 5.37 | Железо-медь | 1.06 |
| Нихром-никель | 4.1 |
Биметаллический датчик температуры.
Наверное, далеко не все задумывались над вопросом, каким образом обычный электрический утюг может поддерживать температуру основания постоянной.
Контроль температуры подошвы утюга осуществляется с помощью датчика температуры (рис. 1). Основным элементов этого датчика является биметаллическая пластина, которая состоит из двух наложенных друг на друга разнородных металлических пластин (например, железной и алюминиевой), соединённых вместе методом сварки (рис 2,3).
Известно, что различные металлы при нагревании расширяются неодинаково. Если одинаково нагревать железную и алюминиевую пластины одинаковой начальной длины, то удлинение алюминиевой пластины оказывается вдвое больше удлинения железной пластины (рис. 2). При нагревании биметаллической пластины происходит ее изгиб в сторону слоя с меньшим коэффициентом теплового расширения (рис. 3). При этом изгиб тем больше, чем больше изменение температуры.
Замыкание и размыкание цепи нагревательного элемента 1 в утюге производится контактной парой 2, включённой последовательно в цепь (рис. 1). С нагреванием подошвы утюга нагревается и биметаллическая пластина. Она изгибается, её свободный конец поднимается и размыкает цепь нагревательного элемента. Подошва утюга начинает остывать. Сразу же после размыкания цепи температура биметаллической пластины будет несколько меньше, чем температура остывающей подошвы утюга, поэтому ещё некоторое время температура пластины будет возрастать за счёт её нагрева от подошвы. Затем температура пластины также начнёт постепенно уменьшается, уменьшается её изгиб, и верхний контакт опускается. При его соприкосновении с нижним контактом нагревательный элемент включается, и подошва утюга начинает снова нагреваться.
Регулировка средней температуры нагрева подошвы утюга осуществляется поворотом диска регулятора температуры 6 (рис. 4). При повороте диска в ту или другую сторону нижняя контактная пластина 5 перемещается вверх или вниз. Чем выше располагается нижний контакт, тем больше среднее значение температуры. В зависимости от рода ткани температура подошвы утюга должна поддерживаться в заданных пределах: синтетика (60 - 90) oC, шёлк (100 - 130) oC, лён (160 - 200) oC.
Практическая работа: снятие характеристик датчика температуры на основе биметаллической пластины.
Приборы и материалы: утюг с регулятором температуры на основе биметаллического реле, электроплитка, колба из термостойкого стекла, наполненная водой, термометр (диапазон измеряемых температур от 0 oC до 120 oC), термопара, милливольтметр, часы.
Содержнание работы
1. Поставьте на электроплитку колбу с водой. Опустите в неё термометр и замерьте начальную температуру жидкости.
2. Подключите концы термопары к милливольтметру. Погрузите центральную часть термопары (она содержит один спай) в колбу с водой и запишите начальное показание милливольтметра.
3. Включите электроплитку и записывайте в таблицу одновременные показания термометра и милливольтметра в процессе нагревания воды вплоть до кипения.
4. По измеренным значениям постройте график зависимости термо-ЭДС от температуры нагретого спая термопары (равного температуре воды).
5. По наклону графика определите константу c в формуле (1) для данной термопары.
6. Выньте термопару из колбы и, дав ей остыть, положите её центральную часть под подошву утюга, поставленного на термостойкую подставку. Запишите в таблицу начальное показание милливольтметра.
7. Включите утюг и через равные интервалы времени (1 мин.) записывайте в таблицу моменты времени и соответствующие показания милливольтметра .
8. По включению и выключению индикаторной лампочки утюга запишите моменты времени, когда происходит замыкание и размыкание контактов реле.
9. С использованием формулы (1) или уже построенного графика термо-ЭДС термопары пересчитайте показания милливольтметра в температуру подошвы утюга.
10. Постройте график зависимости температуры подошвы утюга от времени.
11. Отметьте на графике моменты включения и выключения биметаллического реле.
|
Рис.1
Электрическая схема утюга с автоматическим регулятором температуры:
1 - нагревательный элемент, 2 - блок контактов, 3 – подключение к сети.
|
Рис.2 Рис.3
Тепловое расширение пластин из При нагревании биметаллической разных материалов неодинаково пластины она изгибается
|
|
Рис.4
Устройство утюга с автоматическим регулятором температуры
Здесь приняты следующие обозначения:
1) - подошва утюга; 5) - нижняя контактная пластина;
2) - биметаллическая пластина; 6) - диск - регулятор температуры;
3) - контактная пара; 7) - штырь винта регулятор температуры.
4) - верхняя контактная пластина;
2. МЕХАНИКА
Лабораторная работа №6