Быстродействующие самопишущие приборы (БСП)
Быстродействующие самопишущие приборы (БСП) работают в диапазоне частот до 150–200 Гц. Выпускаются нескольких серий БСП:
Н3021 (рабочий диапазон частот от 0 до 45 Гц) и Н338 (от 0 до 150 Гц). В БСП применены магнитоэлектрические (Н3021) и электромагнитные измерительные механизмы (Н3338). Приборы изготавливаются в корпусах переносного типа; запись осуществляется в криволинейных и прямоугольных координатах; используется перьевая запись чернилами и запись на теплочувствительной бумаге; ширина поля записи одного канала 40–80 мм; приборы снабжены регуляторами чувствительности.
ГОСТ 19875–79 предусматривает для БСП нормирование приведенной статистической погрешности от нелинейности амплитудной характеристики (для современных БСП 265–5%). Нормирование погрешности перемещения диаграммной ленты осуществляется по ГОСТ 9999–79.
По сравнению со светолучевыми осциллографами БСП имеют преимущества: видимая запись, дешевые вспомогательные материалы (чернила, бумага), устойчивость к механическим воздействиям, что позволяет использовать их как в лабораторных, так и в цеховых условиях. БСП применяются в различных областях науки и техники, а также в медицине.
1.5.6. Светолучевые осциллографы (СЛО)
Принцип действия осциллографов основан на фотографической записи показаний магнитоэлектрических гальванометров специальной конструкции с высокой собственной частотой w0.
Устройство осциллографического гальванометра (ОГ) приведено на рисунке 1.23.
Рис. 1.23. Осциллографический гальванометр
Подвижная часть ОГ выполнена в виде многовитковой рамки 1. Противодействующий момент создается растяжками 2, которые служат также для крепления рамки к держателям 3. При появлении тока в рамке зеркало 4, скрепленное с ней поворачивается на некоторый угол, при котором вращающий момент уравновешивается противодействующим. Вращающий момент создается в результате взаимодействия тока в рамке с магнитным полем постоянного магнита 5.
Целью расшифровки записанных на осциллограмме графиков является определение амплитудных и мгновенных значений исследуемых величин, фазовых сдвигов и временные определения. Наиболее общей задачей использования СЛО считается нахождение частот, амплитуд и начальных фазовых углов гармонических составляющих сложного процесса, изображенного на осциллограмме.
Статическая погрешность СЛО обусловлена нелинейностью токовой характеристики, что связано с неравномерностью магнитного поля в воздушном зазоре; температурными и механическими воздействиями на измерительный механизм ОГ; непостоянством скорости перемещения носителя. Динамическая погрешность светолучевого осциллографа определяется в основном ОГ, поведение которого в динамическом режиме описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка.
Точность воспроизведения СЛО зависит от правильного выбора ОГ. Необходимо, чтобы рабочий диапазон частот ОГ был согласован с частотным диапазоном исследуемого сигнала а степень успокоения b оптимальной.
Высокочастотные ОГ промышленного изготовления предназначаются для работы в токовом режиме (чувствительны к току). В режиме напряжения разогрев рамки увеличивает ее сопротивление. При этом ток через рамку уменьшается, что приводит к возникновению погрешности записи. Точность воспроизведения исследуемого сигнала зависит также от скорости перемещения носителя (VН). Для того чтобы рабочий диапазон частот был полностью использован, необходимо, чтобы выполнялось соотношение:
, (1.12)
где VHmax – максимальная скорость протяжки носителя, соответствующая различной записи синусоидального сигнала частоты f = fВ,
d – толщина линий записи,
fВ – верхняя граница рабочего диапазона частот.
Для фотозаписи быстропротекающих процессов применяют СЛО с электронно-лучевыми трубками, в которых изображение с экрана трубки с помощью оптического устройства проектируется на движущуюся с определенной скоростью фотоленту. Эти СЛО работают в диапазоне частот от 0 до 100 кГц.
Основные задачи проектирования - расширение частотного диапазона, увеличение скорости, числа каналов, уменьшение габаритов и массы.
Дифференциальное уравнение, описывающее динамический режим работы прибора прямого действия, определяется в основном дифференциальным уравнением движения подвижной части измерительного механизма (ИМ).
Для оценки динамических свойств рассматриваемых приборов используют амплитудные и фазочастотные характеристики, так как они напрямую связаны с динамическими погрешностями приборов.
Эффективным способом улучшения динамических характеристик приборов является введение в их структуру специальных электрических схем коррекции. Коррекции подлежат элементы измерительного устройства, в которых содержатся источники динамических погрешностей.
Динамический режим ИМ описывается уравнением:
, (1.13)
где J – момент инерции подвижной части измерительного механизма;
a – угол ее отклонения;
Р – коэффициент успокоения;
W – удельный противодействующий момент;
В – индукция в воздушном зазоре;
s, n – площадь и число витков рамки;
i(t) – мгновенное значение тока в рамке.
Используя принятые обозначения ( 
– чувствительность к постоянному току; 
– круговая частота собственных колебаний; 
– степень успокоения) получим выражение для передаточной функции и комплексной чувствительности магнитоэлектрического прибора:
, (1.14)
, (1.15)
где 
.
Выражение для АЧХ и ФЧХ имеют вид:
, (1.16)
, (1.17)
, (1.18)
. (1.19)
АЧХ и ФЧХ критичны к значению степени успокоения b. Оптимальное значение b получим из условия минимальности погрешностей gA и gj. Погрешность gA®0 при q®0 и отсутствует при выполнении равенства:
, (1.20)
, (1.21)
Условие (1.20) показывает, что оно близко к выполнению в относительно широком диапазоне частот (q = 0–0,5) при b = 0,65–0,7, т. е. этот режим обеспечивает минимальные значения погрешностей gA и gj в диапазоне частот w = (0 – 0,5) w0.
Оптимальное успокоение (b0 = 0,65 – 0,7) обеспечивается обмоточным и жидким успокоением. При использовании обмоточного успокоения внешнее сопротивление, подключаемое к рамке ИМ, нормируется и определяется выражением:
, (1.22)
где RP – сопротивление рамки.
Быстродействие прибора повышают, уменьшая ширину поля записи, что приводит к росту погрешности при расшифровке графика.