2.8: Приладобудування та лабораторія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33841

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

На цьому етапі нам потрібно перемкнути передачі та зосередитись на кількох практичних аспектах, таких речах, з якими ми можемо мати справу в електричній лабораторії. Одна справа обговорювати абстрактні поняття, такі як напруга і струм, і зовсім інша справа розібратися з ними в реальному світі.

Джерела

Для початку розглянемо ідею джерел живлення, тобто пристроїв, здатних видавати надійні, стабільні і постійні напруги і/або струми. Як згадувалося раніше, акумулятор наближається до ідеального джерела напруги. Проблема, звичайно, полягає в тому, що батареї тривають лише кінцевий проміжок часу, і їх напруга починає провисати після використання деякий час. Також їх напруга фіксоване і не регулюється. Регульоване джерело напруги було б набагато гнучкішим у лабораторії.

Для вирішення цієї проблеми більшість електричних лабораторій використовують змінну напругу постійного струму замість простих батарей. Ці джерела, як правило, регулюються від 0 до 25 вольт або вище і можуть виробляти один підсилювач струму або більше. Приклад наведено на малюнку Template:index. Цей конкретний блок має два основних виходи плюс третій допоміжний вихід. Всі виходи незалежні, це означає, що напруга кожного може бути встановлена незалежно від інших. Крім того, два основні виходи пропонують програмоване обмеження струму. Цю особливість можна розглядати як програмований запобіжник або автоматичний вимикач: вона обмежує кількість струму, який ланцюг може залучити до певного заздалегідь обраного рівня. Варто зазначити, що навіть якщо джерело розраховане, скажімо, на два ампери, це стосується лише максимального значення, яке можна намалювати; це не струм, який він буде виробляти за замовчуванням.

Рисунок Template:index: Багатовихідний регульований джерело напруги постійного струму.

Кілька вихідних джерел живлення, як правило, підключені в «плаваючій» формі, що означає, що негативний термінал не прив'язаний назад до землі землі. Представлений окремий роз'єм (зазвичай зелений), який прив'язаний назад до землі землі, якщо це необхідно. Наявність плаваючих запасів дає користувачеві набагато більшу гнучкість. Наприклад, два плаваючих джерела можуть бути підключені послідовно, щоб створити одну більш високу напругу. Вони також можуть бути провідними, щоб представити позитивну напругу та негативну напругу. Блок, показаний на малюнку Template:index}, також має подвійні світлодіодні дисплеї для напруги та струму для кожного з основних виходів. Варто зазначити, що колірне кодування, яке використовується для електронного обладнання, не те саме, що використовується для житлової проводки в Північній Америці. Стандарт електроніки полягає в тому, що загальний або заземлений термінал чорний, а «гарячий» або позитивний термінал червоний.

Хоча існує велика кількість марок та моделей доступних лабораторних джерел напруги постійного струму, те ж саме не стосується джерел постійного струму. Зазвичай це не є проблемою. Як ми побачимо в майбутній роботі, емулювати джерело постійного струму можна за допомогою джерела напруги і деяких приєднаних компонентів.

Схематичні символи

Зрозуміло, що не було б практично створювати креслення схем (схеми) з використанням картинок реальних пристроїв. Замість цього ми використовуємо прості схематичні символи для їх представлення. Існує дві широко використовувані схеми: ANSI (Американський національний інститут стандартів) і IEC (Міжнародна електротехнічна комісія). Для багатьох електронних компонентів версії ANSI та IEC однакові, але є помітні відмінності. ANSI, як правило, домінує в Північній Америці (сюрприз!) тоді як IEC має тенденцію домінувати в інших місцях.

На малюнку Template:index показані символи для джерел постійного струму і напруги. Довга смуга у верхній частині джерела напруги є позитивною клемою, тоді як коротша смуга внизу позначає негативну клему. Для джерела струму стрілка вказує в напрямку звичайного потоку струму. Якщо джерело регулюється, він часто буде показаний діагональною стрілкою, проведеною через нього. У деяких схемах джерело напруги постійного струму буде просто намальовано як «точка з'єднання» або вузол з маркуванням напруги. Передбачається, що інший кінець джерела прив'язаний назад до системи загального або заземлення.

Рисунок Template:index: Схематичні символи напруги (зліва) та джерела струму.

Говорячи про землю, є три різні символи, які використовуються для загальної точки підключення ланцюга. Це: заземлення, заземлення шасі та сигнальне або цифрове заземлення. Вони показані на малюнку Template:index. Заземлення використовується, коли загальна схема прив'язана назад до справжньої землі (наприклад, до третього штифта на розетці змінного струму). Земля шасі - це більш загальний термін, який представляв би загальну точку відліку, яка не повернулася до справжньої землі (наприклад, портативний пристрій). Нарешті, цифровий або сигнальний заземлення використовується для розрізнення загальних точок, де вони можуть бути відокремлені для проблем із шумом або перешкодами (наприклад, чутливий аналоговий сигнал, загальний, окремий від загальної цифрової логіки).

Рисунок Template:index: Схематичні символи для заземлення. (L-R) земля, шасі, сигнал.

Символи резисторів та інших резистивних пристроїв значно різняться між версіями ANSI та IEC. ANSI використовує зигзагоподібну лінію, тоді як IEC використовує простий прямокутник. Вони проілюстровані на малюнку Template:index. Цей текст буде зосереджений на використанні стандартних символів ANSI для резисторів. Одне остаточне зауваження щодо значень компонентів: Оскільки десяткові крапки легко втратити на фотокопіях або невеликих екранах дисплея, інженерні множники позначення іноді розміщуються в позиції десяткової крапки. Наприклад,\(\Omega\) резистор 4.7 k може бути перерахований як просто 4к7.

Рисунок Template:index: Схематичні символи для резистивних пристроїв. (L-R) резистор (ANSI), резистор (IEC), фоторезистор, термістор.

Вимірювання - Цифровий мультиметр

Мабуть, найзручнішим вимірювальним приладом в електричній лабораторії є цифровий мультиметр, або коротко ДММ. Ці портативні пристрої використовуються для вимірювання напруги, струму та опору; і залежно від моделі можуть мати й інші можливості вимірювання. Пара типових одиниць показана на малюнку Template:index.

Рисунок Template:index: Цифрові мультиметри.

Крім вимірювальних функцій DMM, мабуть, єдиною найважливішою характеристикою є його точність. Важливо пам'ятати, що жоден вимірювальний прилад не є ідеальним і завжди існує певна невпевненість між тим, що вказує прилад, і справжнім значенням вимірюваного параметра. Оскільки DMM використовує цифровий дисплей, він має як кінцевий діапазон, так і роздільну здатність. Як неважко здогадатися, чим більше цифр може відображати лічильник, тим більше його потенційна точність. ДММ зазвичай описуються як мають 3 1/2 цифри, 3 3/4 цифри, 4 1/2 цифри, і так далі для своїх дисплеїв. Дробова цифра - це просто провідна цифра, яка не може доходити до дев'яти. Під загальним вживанням термін «1/2 цифри» означає, що провідна цифра може бути не більше однієї. Специфікація 3/4 цифри зазвичай означає, що перша цифра не може бути більшою за три (це також може бути чотири або навіть п'ять, оскільки ця термінологія не стандартизована) ¹. Для уточнення, дисплей з 3 1/2 цифрами також називають дисплеєм «2000 count». Це тому, що існує 2000 можливих значень, від 0000 до 1999. Аналогічно, дисплей 4 3/4 цифри називається дисплеєм 40 000, оскільки він має 40 000 можливих значень, від 00000 до 39 000.

Використовуючи дисплей лічильника 2000 як приклад, наступне питання, яке потрібно задати, - де розмістити десяткову крапку. Цей дисплей може бути налаштований на читання від 0 до 1999 вольт. Для зручності ми б назвали це «шкалою 2000 вольт», що означає, що максимальна напруга, яке може відображатися, становить приблизно 2000 вольт. При іншому ідеальному лічильнику помилка може бути такою ж великою, як 1 вольт, оскільки у нас немає можливості вказати частки вольт. Щоб вирішити це обмеження, ми могли б додати інші масштаби, змістивши десяткову крапку. Наприклад, ми могли б зробити номінальну «шкалу 20 вольт», яка буде коливатися до 19.99 вольт, даючи нам дозвіл до 10 мілівольт. Ми могли б піти далі і зробити шкалу 2 вольт з максимальною роздільною здатністю 1.999 вольт і 1 мілівольт, а також 200 мілівольт шкала з максимумом 199.9 мілівольт дає роздільну здатність однієї десятої мілівольт. Можливо, нам доведеться виміряти дуже великі, а також дуже малі напруги, тому налаштування масштабу регулюється користувачем.

Важливо використовувати найнижчу шкалу, яка може відображати бажане значення, інакше відбудеться втрата роздільної здатності та точності. Наприклад, якщо нам потрібно виміряти напругу десь близько п'яти або шести вольт за допомогою цього лічильника 2000, його слід встановити для шкали 20 вольт. Нижня настройка, наприклад, шкала 2 вольт або 200 мілівольт, не зможе відобразити вимірювання і замість цього буде вказувати стан перевантаження (як правило, миготіння скороченого повідомлення про помилку типу «Err» або «OL»). З іншого боку, якщо використовується більша шкала 2000 вольт, лічильник зможе вирішити вимірювання лише до найближчого вольта. Дійсно, це настільки важливо, що деякі лічильники мають автоматичний діапазон, а це означає, що вони автоматично вибирають налаштування шкали, щоб дати найкращий результат. Специфікація точності для DMM складається з двох частин. Перша частина - відхилення відсотків навколо вимірюваного значення. Друга частина - додана кількість рахунків.

Специфікація точності для типового лічильника 3 1/2 цифри може становити\(\pm\) 2% від показань плюс 3 рахунки. Щоб визначити діапазон можливих значень для показання, спочатку визначте відсоток показань, а потім додайте кількість лічильників (тобто один лічильник представляє роздільну здатність лічильника за цією конкретною шкалою). Отримане значення представляє невизначеність показань. Його також можна візуалізувати як «конверт помилки», що оточує відображуване значення. Десь у цій конверті є справжнє значення, виміряне. Це показано на наступних прикладах.

Приклад Template:index

3 1/2 цифри (кількість 2000) DMM має специфікацію точності\(\pm\) 2% читання плюс 3 підрахунки. За своєю шкалою 20 вольт він вимірює 5,01 вольт. Визначте невизначеність при цьому вимірі.

За своєю шкалою 20 вольт цей вимірювач може відображати до 19,99 вольт. Тому його роздільна здатність, або одиничне значення підрахунку, становить 0,01 вольт. Таким чином, 3 рахунки - це 0,03 вольта. До цього додамо 2% від показань 5,01 вольта, або 0,1002 вольта. Загальна сума становить 0,1302 вольта або 130,2 мілівольт. Це означає конверт помилки з обох боків читання. Тобто справжнє значення знаходиться в межах 5,01 вольт\(\pm\) 130,2 мілівольт, або десь між 4,8798 вольт і 5,1402 вольт. Іншими словами, неоднозначність становить близько 130 мілівольт з приблизно 5 вольт.

Приклад Template:index

4 3/4 цифри (40 000 граф) DMM має специфікацію точності\(\pm\) 0,1% читання плюс 8 підрахунків. За шкалою 4 вольта він вимірює 3.0035 вольт. Визначте невизначеність при цьому вимірі.

На своїй шкалі 4 вольта цей вимірювач може відображати до 3,9999 вольт. Тому його роздільна здатність становить 0,0001 вольт або 0,1 мілівольт. 8 підрахунків дорівнює 0,8 мілівольт. До цього додамо 0,1% від показань 3,0035 вольт, або 3,0035 мілівольт. Загальна сума становить 3,8035 мілівольт. Це являє собою огинаючу помилку з обох боків читання, а справжнє значення знаходиться десь між 2.9996965 вольт і 3.0073035 вольт. Неоднозначність тут становить лише кілька мілівольт з приблизно 3 вольт. Зрозуміло, що рівень неоднозначності цього лічильника значно знижений порівняно з лічильником, який використовується у прикладі Template:index.

Посилання

¹ Ви можете справедливо запитати, як це те, що лише одна цифра з дев'яти вважається «половиною», а три з дев'яти вважаються «трьома четвертими». Ну, це маркетинг для вас.