Как определить фазу и ноль без приборов как найти мультиметром

В состав любого кабеля в обязательном порядке входит одна нулевая жила и одна либо несколько фазных.

От правильного определения функционального назначения жил кабеля зависит простота монтажа и эксплуатации системы электроснабжения, а также безопасность лиц, обслуживающих ее и производящих какие-либо электромонтажные работы.

Основные понятия

Давайте сперва разберемся, что такое ноль и фаза в электричестве.

Итак, фаза в электричестве – это проводник, по которому электрический ток движется в направлении энергопринимающего устройства. Ноль, в свою очередь, является проводником, по которому электрический ток движется в обратном направлении.

Современные требования, предъявляемые к безопасности организации электрических сетей, предполагают также наличие еще одного проводника в составе токоведущего кабеля, который будет выполнять защитную функцию. Заземляющий проводник – это элемент, преднамеренно соединенный с заземляющим контуром и предназначенный для того, чтобы уберечь человека от поражения электрическим током.

Неправильное определение, а также соединение нулевых и фазных жил токоведущего кабеля может привести к непредвиденным ситуациям – короткому замыканию, выходу из строя дорогостоящего оборудования и поражению человека электрическим током. По этой причине чрезвычайно важно уметь отличать фазный и нулевой проводники.

Как отличить фазу от нуля

Существует целый ряд способов – как профессиональных, так и не очень – для определения функционального назначения проводников, входящих в состав кабеля.

С применением мультиметра

Как мультиметром определить фазу и ноль

Просто и надежно определить, где ноль, а где фаза в электропроводке, можно при помощи мультиметра (тестера). Прежде всего, необходимо включить мультиметр в режим измерения переменного напряжения и выбираем подходящий предел измерения (выше напряжения в электрической сети). Далее вы можете избрать один из описанных ниже способов идентификации фазного проводника.

1. Один из щупов мультиметра зажимается пальцами, другим необходимо коснуться той или иной жилы токоведущего кабеля. В случае соприкосновения щупа с фазой на дисплее мультиметра отобразится показание, приближенное к 220 В.
2. Если вы ни в коем случае не желаете прикасаться к щупам мультиметра руками, то один из них, как и в предыдущем случае, скоммутируйте с идентифицируемым контактом, а другим дотроньтесь до оштукатуренной стены либо заведомо заземленной металлической поверхности.
3. Как упоминалось выше, в современных системах электроснабжения предусмотрен также заземляющий проводник. Чтобы разобраться в назначении жил трехжильного либо многожильного кабеля следует попеременно касаться пар проводов щупами мультиметра. На его дисплее при контакте с фазой и нулем, а также с фазой и заземлением будет отображаться значение напряжения, близкое к 220 В (при этом фаза и заземление дают меньшее значение, нежели фаза и ноль). При одновременном касании щупами нулевого и заземляющего проводов, как и при касании двух фаз, на дисплее мультиметра будет «0».

Важно! При идентификации проводников по первому из вышеописанных методов обязательно убедитесь в том, что мультиметр включен в режим измерения напряжения, до того, как будете касаться пальцами одного из его щупов.

Как определить ноль и фазу индикаторной отверткой или отверткой для прозвонки сети

Со специальной индикаторной отверткой работать еще проще. Этот инструмент внешне очень похож на отвертку обыкновенную, но имеет относительно непростую внутреннюю конструкцию. Такую отвертку в народе также называют «контролькой».

 

Индикаторные отвертки

Важно! Не следует применять индикаторную отвертку для осуществления манипуляций над винтовыми соединениями (откручивания винтов и их закручивания). Такие действия являются наиболее распространенной причиной выхода из строя описываемого устройства.

Для того, чтобы определить функциональное назначение кабельных жил с ее помощью, нужно просто поочередно коснуться каждой из них жалом данного инструмента, нажимая при этом специальную кнопку в торцевой его части. Если в процессе указанных манипуляций светодиодная лампочка на отвертке загорится, значит, вы касаетесь фазного проводника, в противном случае – нулевого.

Не стоит путать индикаторную отвертку с отверткой, предназначенной для прозвонки сети. Последней также можно определить функционал той или иной жилы, однако нажимать на металлическую пластину в ее верхней части не нужно – иначе отвертка будет светиться в любом случае. Отвертка для прозвонки сети предусматривает в своей конструкции наличие батареек.

Визуальное определения фазы и нуля

При отсутствии вышеупомянутого инструментария вы можете задаться вопросом, как определить фазу и ноль без приборов. Одним из таких способов является их визуальная идентификация. Дело в том, что в соответствии с требованиями к монтажу электропроводки изоляция каждой жилы кабеля должна быть окрашена в свой собственный цвет.

При этом если с заземлением и нулем все понятно – они должны иметь желто-зеленую (желтую, зеленую) и синюю (голубую) окраску соответственно, то изоляционный слой фазного провода может быть выполнен в одном из следующих цветов: коричневый, черный, серый, а также красный, фиолетовый, розовый, белый, оранжевый, бирюзовый, — в зависимости от действующих на момент прокладки кабельной трассы нормативов.

По цвету проводки

Помимо цветовой, имеет место и буквенно-цифровая маркировка кабельных жил. В соответствии с ней ноль, фаза и земля обозначаются соответственно буквами N (neutral), L (line), PE (protectearth).

Контрольная лампочка

Еще один способ решения вопроса, как найти фазу и ноль без приборов, это самостоятельная сборка так называемой контрольной лампочки. Для ее изготовления потребуется обыкновенная лампа накаливания, подходящий к ней патрон, а также два отрезка медного провода (примерно по 50 сантиметров длиной).

Лампочка вкручивается в патрон, а проводники подключаются к его контактам. Другой конец одного из проводников необходимо закрепить на зачищенном до металлического блеска радиаторе системы отопления (либо на иной заведомо заземленной поверхности), а другим концом второго следует попеременно касаться проводников неопределенного функционала. При этом во время контакта с фазным проводом лампочка должна начать светиться.

Важно! В случае планирования систематического использования контрольной лампочки целесообразно ее саму поместить в защитный кожух, а к концам подсоединенных к патрону проводников прикрепить щупы (как у мультиметра).

Контрольной лампочкой

Контрольная картофелина

Название данного подраздела звучит весьма абсурдно, но тем не менее можно определить функциональное назначение токоведущих жил электрического кабеля и при помощи обыкновенной картофелины. Как и в вышеописанном методе с использованием самодельной контрольной лампочки, нам понадобятся два пятидесятисантиметровыхпровода.

Картофель разрезается пополам и в срез овоща на довольно приличном друг от друга расстоянии вставляются подготовленные проводники. Далее конец одного размещается на отопительной батарее(либо на иной заведомо заземленной поверхности), а конец другого соединяется с идентифицируемой жилой кабеля. Чтобы получить результат, придется подождать пять-десять минут. Если по прошествии указанного времени на срезе картофелины образовалось темное пятно, значит вы проверяли фазный проводник. Если изменений не произошло – нулевой.

Важно! Последние два из вышеописанных методов идентификации функционала токоведущих проводников кабеля системы электроснабжения вы используете на свой страх и риск. При работе с такого рода конструкциями следует соблюдать предельную осторожность, чтобы не получить поражение электрическим током.

Разобравшись с тем, что такое фаза и ноль в электричестве, а также найдя для себя сразу несколько ответов на вопрос, как найти эти самые фазу и ноль в проводке, вы можете выбрать любой подходящий для вас способ. Тем не менее, для того, чтобы проверить фазу и ноль, рекомендуем вам такие методы, как проверка тестером либо специализированной отверткой.

Как определить фазу и ноль без приборов?

Я электрик с большим стажем. Тридцать лет работаю с электричеством. Бывает, что меня спрашивают, как отличить фазу от нуля в отсутствии приборов. Вопрос не простой. Сейчас я попытаюсь рассказать все, что об этом знаю.

Фаза и ноль. В чем разница?

Строго говоря, фазный и нулевой проводники не имеют больших различий. В цепях переменного тока за одну секунду ток меняет направление пятьдесят раз. Как тут отличишь, какую функцию выполняет тот или иной провод? Единственное отличие между фазным и нулевым проводниками состоит в том, что «ноль» (нулевой проводник) соединен с Землей. Именно так. В землю закопан электрический контур и на подстанции один из выводов трансформатора соединен с этим контуром. Такая электрическая схема называется сетью с глухо заземленной нейтралью. В такой схеме нулевой провод имеет потенциал земли. Мы с вами тоже имеем потенциал земли. Поэтому, коснувшись заземленного проводника мы не получаем удар током.

Теперь, когда вы имеете представление о «нуле» перейдем к «фазе». Напряжение фазного проводника 50 раз в секунду меня меняет свою полярность относительно «нуля». В цепи фаза-ноль ток изменяет свое направление тоже 50 раз в секунду. Если ток потечет через тело человека, то это закончится очень плохо. Поэтому проявляйте крайнюю осторожность.

На самом деле нет ни одного прибора, который бы «чувствовал» «фазу». Все приборы фиксируют, течет ли ток от данного конкретного провода на «землю» или нет. Даже однополюсный пробник, которым часто пользуются для обнаружения фазных проводов, работает по этому принципу. Сейчас мы не станем вдаваться в подробности работы таких пробников.

Ищем «фазу»

Если нам необходимо отличить фазу от ноля, то мы должны создать электрическую цепь, при помощи которой мы будем однозначно знать, течет ли ток от выбранного нами провода на «землю» или нет. На ум приходит несколько приборов, которые смогут нам помочь:

• лампочка,
• еще одна лампочка, неоновая,
• светодиод.

Есть еще один способ, очень ненадежный. В последнее время провода стали маркировать по расцветке изоляции. Нулевой провод имеет синий цвет, изоляция заземляющего провода имеет желто-зеленую расцветку. Но кто поручиться, что электрик выполнил подключение согласно правилам или он не был дальтоником?

«Дедовский» способ

Многие десятилетия электрики использовали электрическую лампочку в качестве измерительного прибора. Лампа накаливания, патрон и два провода. Этот прибор назывался «контролькой». Для определения «фазы» одним выводом контрольки касались провода, другим металлического предмета, который заведомо соединен с землей. Это мог быть корпус щитка освещения, или другого распределительного устройства. По правилам они все заземляются. К сожалению, найти заземленный предмет не всегда возможно. Встречал советы, когда в качестве земли предлагали использовать трубы отопления или водопровода. Не советую категорически! Можно ударить током ни чего не подозревающего человека. Поверьте на слово. Если вы в собственном доме, на даче роль «земли» может выполнить металлический штырь забитый в землю, другие металлические предметы, имеющие надежное соединение с землей.

Контрольку запрещено использовать потому, что ее можно присоединить к двум фазным проводам. В этом случае напряжение на ней будет 1.7 раза выше напряжения сети, лампочка может просто взорваться. Если вы уверены, что один из проводов контрольки присоединен к земле, то опасаться взрыва не стоит.

Существуют более безопасные приборы. Случайно под рукой может оказаться индикаторная лампа от старой связной аппаратуры. Эти лампочки, «инки», начинают светиться, если один из выводов присоединен к фазному проводу. Однополюсные пробники оснащены подобными лампами.

Более серьезным прибором будет комбинация светодиода и соединенного с ним последовательно токоограничительного резистора. Понятно, что этот случай для людей, дружащих с паяльником, например радиолюбителей. Резистор должен иметь сопротивление несколько десятков килоомм.

Во избежание поражения током нужно следовать одному простому правилу. Во время измерений не касаться проводов и металла ни одной частью тела.

Как определить фазу и ноль: мультиметром, индикаторной отверткой, без приборов

Проведение ремонтных работ в любом помещении, важным моментом является оснащение этого помещения электричеством. Помимо электропроводки, не стоит забывать о необходимости установки розеток и выключателей, при помощи которых будет происходить регулирование освещения. Тут достаточно важным моментом будет определение фазы, нуля и заземляющего проводника системы.

Для профессиональных монтажников данная задача является очень простой, чего не скажешь о простых обывателях, которые далеко не всегда могут справиться с подобной задачей. Тем не менее, поиск нуля и фазы является процессом не настолько сложным, как может показаться изначально, при этом включает в себя несколько способов определения.

Следует понимать, что проводка в квартире обычно имеет напряжение в 220В, поскольку она предусматривает подключение к нулевому проводнику и к одной из фаз. При этом обязательным является заземление, что делает электрификацию помещения безопасной для обитателей.

• Что такое фаза и ноль в электричестве для новичка
• Как определить фазу и ноль индикаторной отверткой
• Определение фазы и нуля мультиметром
• Как найти фазу и ноль без приборов

Что такое фаза и ноль в электричестве для новичка

Чтобы уловить принцип нахождения фазы и нуля в сети, следует для начала определить для себя, что означают данные термины, которые для простого обывателя могут звучать как совершенно непонятные понятия. Любая система, независимо от ее протяженности, состоит из трех фаз, причем касается также и низковольтных линей, задачей которых является питание жилых домов.

Между двумя любыми фазами возникает линейное напряжение, составляющее 380В. Однако напряжение бытовой сети составляет 220В, главной задачей является появление требуемого для сети напряжения. Для этой цели в любой сети присутствует нулевой провод, которой в сочетании с любой фазой образует разность потенциалов в 200В, которая и будет представлять собой фазное напряжение.

Нулем в электрической цепи называется проводник, который соединяется с контуром земли и используется для создания нагрузки от фазы. Фаза эта подключена к противоположному концу обмотки на ТП. Таким образом, в стандартной розетке, для наглядности, один вход принимается за фазу, а второй за ноль.

Если говорить более простым языком, то фаза представляет собой провод, по которому поступает ток. По нулевому проводу ток возвращается обратно к источнику.

В зависимости от количества фаз, система имеет несколько проводов. Допустим, в трехфазовой цепи имеются три фазовых провода и один обратный, нулевой.

Цветовое обозначение. Не редко многих интересует вопрос, какого цвета провода фаза ноль земля, как определить, где какой провод, часто предоставляется возможным при помощи используемых в электрике цветовых разграничений. Однако сработает данный метод только в случае, если проводка действительно выполнена по всем правилам. Изоляция нулевого провода обычно обозначается синим или голубым цветом, земля сочетает в себе сразу две окраски – зеленую и желтую. Провод фазы по правилам обозначается в коричневый, белый или черный цвет.

Обозначение фазы и нуля буквы. Помимо цветовых обозначений, возможной является также буквенная маркировка проводов. Фаза обычно обозначается латинской буквой “L” а нулевой провод принято маркировать буквой “N”. Кроме того, свое обозначение имеет и заземление, обозначать которое принято буквой “G”.

Как определить фазу и ноль индикаторной отверткой

Для нахождение фазы и нуля в сети можно использовать различные инструменты. Наиболее удачным изобретением в помощь начинающим электрикам считается индикаторная отвертка, имеющая специальные чувствительные элементы и индикатор-отражатель.

Осуществлять проверку фазу и нуля в сети при помощи отвертки проще простого. Отвертку следует зажать между большим и средним пальцем. Касаться неизолированной части жала отвертки не разрешается. Палец указательный следует поставить на металлический круглый выступ в конце рукоятки.

Далее жало прикладывают к оголенным концам проводов. В том случае, если произошло касание с фазным проводником, в отвертке загорается соответствующий светодиод.

Определить принцип действия индикаторной отвертки нетрудно, внутри нее расположена специальная лампа, а также резистор, представляющий собой сопротивление. Лампа загорается, если замыкается цепь. Благодаря сопротивлению, можно не бояться поражения током во время проверки, поскольку оно снимает его значение до минимального показателя.

Как узнать где фаза а где ноль в розетке индикаторным пробником видео

Найти ноль такой отверткой, соответственно, не получится. Кроме того, подобный способ нередко дает сбой из-за не слишком хорошей чувствительности. В итоге индикаторная отвертка, реагируя на наводки, может выдать напряжение там, где его совершенно нет.

Определение фазы и нуля мультиметром

Помимо применения индикаторной отвертки, возможным является использование мультиметра, который также позволит определить токонесущие провода в сети. Обязательным условием для его использования является предварительная зачистка проводов.

На приборе перед использованием требуется установить значение предела измерения переменного тока, величина которого должна превышать 220В. Ориентироваться также следует по маркировке гнезд, куда включены щупы прибора. Для данного типа проверки потребуется щуп, включенный в гнездо с маркировкой «V».

Сама проверка заключается в прикосновении щупа к одному из проводов, следя при этом за показаниями прибора. Если мультиметр идентифицирует какое либо напряжение, то данный провод является фазным. Если другой провод покажет нулевое значение, то это, соответственно, нулевой провод.

Прибор для работы может использоваться любого типа – стрелочный или с цифровым индикатором. В любом случае, важным моментом будет соблюдение мер безопасности, а также правильная индикация прибором показаний с проводов. Точность этого прибора обычно выше индикаторной отвертки.

Главным правилом при использовании мультиметра является запрет на одновременное касание фазного провода и заземляющего контура. Такая халатность может привести к короткому замыканию и, как следствие, к травматическим ожогам.

Как найти фазу и ноль без приборов

Несмотря на столь широкое распространение приборных способов определения фазы и нуля в сети, далеко не всегда под рукой может оказаться нужное устройство, которое позволит сделать верное заключение. При этом неправильное выявление проводов в сети «на глаз» может привести к достаточно опасным последствиям.

Первый метод, позволяющий справиться с данной задачей, был описан в одном из разделов выше. Заключается он в нахождении проводов, в зависимости от цвета их изоляции, а также от маркировки. Однако это окажется верным только в том случае, если проводка была выполнена по всем правилам.

Второй способ определить их – это сделать так называемую контрольную лампочку, применяя при этом подручные средства. Для этого потребуется простая лампа накаливания и два отрезка провода, длиной примерно 50 сантиметров. Жилы проводов следует присоединить к лампочке, при этом вторым концом одного из проводов следует прикоснуться к трубам отопления (зачищенным), а вторым прикоснуться к «прозваниваемым» проводам. Тот провод, при прикосновении к которому загорается лампочка, является фазным.

Определение фазы без индикатора и прибора видео

Стоит обратить внимание, что описанный способ является очень опасным и может привести к поражению током во время его использования. Ни в коем случае не рекомендуется применять его в случае наличия предельного напряжения в сети, а также нельзя касаться оголенных проводов.

Альтернативной лампочки накаливания может стать лампочка неоновая, которая позволит найти полярность системы.

В заключении следует отметить, что ответ на вопрос «как определить фазу и ноль» имеет несколько решений. А именно: индикаторной отверткой, мультиметром, а также можно без приборов. Все зависит от возможностей и наличия приборов под рукой. Обязательным является соблюдение всех мер безопасности при работе с электричеством.

Как определить фазу и ноль индикаторной отверткой и мультиметром

При монтаже розеток, выключателей, бытовых потребителей приходится сталкиваться с определением фазы и нуля в электропроводке. Если для электромонтажников с опытом эта задача не является проблемой, то у тех, кто впервые коснулся этого вопроса, возникает много непонятных моментов. Поэтому следует разобраться, как и чем можно выявить фазу и ноль в розетке, каково назначение жил электропроводки и можно ли обойтись без специального оснащения.

Понятия ноля и фазы

Электрическая энергия в жилой дом поступает от трансформаторной подстанции, основное назначение которой — преобразование высокого напряжения чаще всего в 380 В. К домам электроэнергия подземным или воздушным способом подводится на вводной распределительный щит. Затем напряжение подается к щиткам каждого подъезда. В квартиру от него заходит только одна фаза с нулем, т.е. 220 В и защитный проводник (зависит от конструкции электрической проводки).

Таким образом, проводник, обеспечивающий подачу тока к потребителю, называется фазным. Внутри трансформатора обмотки соединены в звезду с общей точкой (нейтраль), заземленной на подстанции. К нагрузке она подводится отдельным проводом. Ноль, представляющий собой общий проводник, предназначен для обратного протекания тока к источнику электроэнергии. Кроме этого, нулевой провод выравнивает фазное напряжение, т.е. значение между нулем и фазой.

Заземление, которое часто называют просто землей, не подключается к напряжению. Его назначение — защита человека от воздействия электрического тока в момент возникновения неполадок с потребителем, т.е. при пробое на корпус. Это может происходить при повреждении изоляции проводников и касании поврежденного участка корпуса прибора. Но поскольку потребители заземляются, при возникновении опасного напряжения на корпусе заземление притягивает опасный потенциал к безопасному потенциалу земли.

Как определить фазу и ноль индикаторной отверткой

Один из способов выявить, где фаза и ноль в розетке либо в силовом кабеле, — использовать индикаторную отвертку. Инструмент внешне напоминает отвертку, но внутри у него есть специальная начинка со светодиодом. Прежде чем приступить к измерениям, нужно отключить рубильник, через который напряжение подается в помещение. После этого требуется зачистить концы проверяемых проводов, для чего снимают 1,5 см изолирующего материала.

Во избежание короткого замыкания между проводами после включения автомата их следует направить в разные стороны. Когда все подготовительные мероприятия будут выполнены, необходимо включить автомат для подачи напряжения. Чтобы понять, как найти фазу и ноль, необходимо выполнить следующие действия:

1. Отвертку зажимают между двумя пальцами — средним и большим, избегая касания оголенной части жала инструмента.
2. Указательным пальцем касаются металлического наконечника с противоположной стороны отвертки.
3. Плоским концом индикатора поочередно дотрагиваются до зачищенных проводников.
4. При касании тестером фазы светодиод загорится. Второй провод будет соответствовать нулевому. При отсутствии индикации изначально проводник будет являться нулевым.

Как определить фазу и ноль мультиметром

Прибор, которым измеряют напряжение, ток и сопротивление, называется мультиметром. Чтобы выявить фазный и нулевой провод с его помощью, сперва нужно настроить устройство, для чего выбирают необходимый предел измерений. В случае с цифровыми приборами устанавливают 600, 750 или 1000 «~V» или «ACV».

Определение фазы производится следующим образом: один из щупов прибора подключают к контакту розетки или кабеля, а до второго щупа дотрагиваются рукой. При отображении на дисплее значения около 200 В это будет указывать на наличие фазы. Показания могут отличаться, что зависит от отделки пола, обуви и т.п. Если прибор отображает нули либо напряжение в пределах 5-20 В, значит, контакт соответствует нолю.

Как определить фазу и ноль без приборов

Иногда бывают ситуации, когда отвертки для определения фазы либо мультиметра под рукой нет, но нужно выяснить, какой провод чему соответствует. Поэтому следует ориентироваться по цветовой маркировке проводов силового кабеля. В отношении маркировки проводов существует стандарт IEC 60446-2004, которого должны придерживаться производители кабелей, а также электромонтажники, выполняющие подключение той или иной электроарматуры.

Чтобы определить по цвету провода, какому проводнику он соответствует, нужно придерживаться следующей маркировки:

• синий или голубой — ноль;
• коричневый — фаза;
• заземление — зелено-желтый.

Однако фазный провод бывает не только коричневым. Часто встречаются и другие расцветки, например белая или черная, но она будет отличной от земли и нуля. Визуально определить провода можно в распределительной коробке, люстре и других точках запитки.

Есть еще один вариант, как определить, где фаза и ноль при отсутствии приборов. Для этого потребуется лампа накаливания с патроном и двумя небольшими отрезками проводов. После подсоединения проводников к патрону можно начинать работу. Краем одного провода касаются трубы отопительной системы, другим — проверяемых проводников. Если в момент контакта лампа зажигается, то это указывает на наличие фазы. Труба для проведения подобного мероприятия должна быть металлической, поскольку пластиковая не проводит ток.

Нужно учитывать, что этот способ хоть и позволяет выявить фазу и ноль, но является опасным, поскольку велика вероятность получить удар электрическим током. Поэтому более безопасно для рассматриваемых целей использовать неоновые лампочки.

Как определить фазу и ноль индикаторной отверткой

Определение фазы и нуля без приборов

Бывают ситуации, когда для правильности подключения необходимо узнать какой провод фаза, а какой ноль. Например, для обеспечения нормальной работы осветительного прибора, в разрыв (через выключатель) и дет фазный провод, а нулевой прокладывается непосредственно к осветительному прибору. В настоящее время, проводка в домах и квартирах прокладывается трехжильными проводами, которые подразделяют на три вида.

Виды проводников:

• Фаза;
• Ноль;
• Заземление.

Отличить в проводке фазу от нуля представляется возможным визуально

Но для этого должно быть соблюдено одно важное условие. Проводка в доме или квартире должна быть выполнена с применением разноцветных проводников

Фазный проводник согласно правилам ГОСТ, обязательно должен маркироваться следующими цветами: черный, белый, коричневый, фиолетовый, бирюзовый, красный, серый, розовый и оранжевый.

Нулевой проводник легко найти, так как он всегда маркируется голубым цветом. Провод заземления имеет желто – зеленую расцветку.

Стоит отметить, что электрический ток, который подается к жилым секторам, является переменным, поэтому полярность подключения электроприборов не имеет значения

Правильность подключения важно только для оборудования, работающего на постоянном токе

Применение лампы накаливания

Это метод использования лампы накаливания для определения проводников соответствующего цвета в сети из 3 проводников. Этот метод предусматривает соблюдение повышенных мер безопасности.

Для применения этого метода в патрон вкручивается обычная лампа накаливания. На клеммы патрона прикручиваются провода, не имеющие на концах изоляции.

Если не имеется комплекта деталей для этого метода, можно использовать стандартную настольную лампу. В таком случае, чтобы получить результат следует попеременно, по цветам присоединять проводники к вилке.

Недостатком этого способа является то, что применив его, невозможно будет наверняка узнать какой из двух проводников фазный. То есть, таким методом, мы скорее проверяем систему на работоспособность.

А преимущество состоит в том, что с большой долей вероятности будем знать следующее: 1 провод нуль, другой провод фаза. Если при тестировании свет не горит, это указывает на отсутствие фазы в проверяемых проводниках.

Разновидности и функции отверток

Чисто внешне рассматриваемый прибор выглядит как самая простенькая отвертка. Разница будет видна в ручке. В рассматриваемой версии данного инструмента в корпусе ручки имеется резистор, соединенный с жалом, выполненным из металла. Именно оно и будет выступать проводником.

Наличие сопротивляющейся части позволяет сократить токовую силу до максимума, что дает возможность применять подобную отвертку максимально безопасно. В каркас устройства еще и встроен световой диод либо лампочка на основе неона, что подсоединяются к пятачку внешнего типа на пластине контакта, что расположена с внешней стороны прибора. Получается, что электричество идет по щупу и в дальнейшем по резистору, снижается до такого уровня, чтобы его показатель был максимально безопасным для осуществления работ. Именно это и является главным аспектом использования индикаторной отвертки.

Если говорить о категориях подобных отверток, то новейшие модели, представленные на рынке, могут найти напряжение в жиле даже через глиняный, побелочный или штукатурный слой, что будет крайне удобно, ведь избавит от необходимости разбивать часть стены, чтобы добраться непосредственно до провода.

Вообще, алгоритм действия подобных инструментов в большинстве случаев одинаков. Хотя существуют различия, возникающие в зависимости от категорий, моделей и наявных функций, которые есть у той или иной модели с индикаторной функцией. Бывает так, что по своему функционалу такая отвертка индикаторного типа может заменить целый ряд довольного дорогостоящего оборудования. Например, есть решения на батарейках, что позволяют проверить целостность проводов, даже когда они обесточены, и ток по ним не идет.

Подобные варианты дадут следующие данные о цепи, что проверяется:

• присутствие звукового сигнала позволит понять, есть ли в цепи напряжение либо оно отсутствует;
• цифровое табло показывает величину напряжения, что обычно отображается в вольтах;
• использование рассматриваемой отвертки дает возможность проверить цепь постоянного и переменного тока в бытовой электротехнике;
• установить сетевую полярность;
• прозвонка электрической цепи звуковой либо световой индикацией.

Вообще, существуют две категории отверток такого типа.

С неоновой лампой. Этот вариант является распространенным и его устройство описано выше. Преимуществом такого решения будет дешевизна и простота. А недостатком является малый диапазон напряжения, с котором можно работать. Как правило, речь идет о диапазоне от 90 до 380 вольт. Да и фазный провод определить в указанном случае можно исключительно при непосредственном электроконтакте.

Благодаря наличию резистора ограничения щуп подключается к контакту с разными полярностями у диодного мостовыпрямителя. А второй контакт выводится на индикаторную рукоять, чтобы можно было прикоснуться пальцем. Малый постоянный, который возник, уходит на накопительный конденсатор. После этого активируется транзистор лавинного типа, который активирован по инверсной схеме. В финале всего этого светодиод получает пульсирующий ток. Такая отвертка может осуществить определение фазы даже при напряжении от 45 вольт. А если подключить не щуп, а маленькую антенну, то можно легко найти электрополе переменного типа.

Если говорить об области применения, то при помощи подобных отверток можно выполнять следующие типы работ:

• проверка к розеточному или выключательному контакту подключается проводник фазы;
• если розетка на удлинителе не функционирует, то можно осуществить проверку всех гнезд с применением пробника;
• осуществить проверку, куда именно подведена фаза на патроне: на основной контакт или на резьбу;
• узнать, есть ли напряжение в определенном электрическом приборе;
• проверить, насколько исправен заземлительный проводник.

Принцип действия индикаторных отверток

Для того чтобы эффективно и правильно пользоваться индикаторными отвертками, рекомендуется ознакомиться с их устройством и общими принципами работы. Несмотря на внешние различия, у каждой из них основной функцией является проверка наличия и отсутствия напряжения, определение фазы и нуля. Для этого достаточно подключиться рабочим органом к одному из контактов.

Наиболее простым устройством считается индикаторная отвертка с неоновой лампочкой. В ее конструкцию входит металлический токопроводящий стержень, на конце у которого расположено плоское жало. В схему индикаторной отвертки дополнительно включен токоограничивающий резистор и неоновая лампочка. Стальная пружина прижимает лампу к резистору.

Отвертка на светодиоде может работать и с более низким напряжением – до 45 вольт. Для нормального функционирования требуется импульсный режим, то есть, с увеличением силы тока пропорционально снижается время непрерывного горения светодиода. Кроме ограничительного резистора, в схеме имеется диодный мост, выполняющий функцию выпрямителя. Незначительное количество тока, появившееся на контактах моста, поступает к накопительному конденсатору. Далее через транзистор пульсирующий ток подается на светодиод, который начинает гореть мерцающим светом.

Принцип работы с такой отвёрткой заключается в следующем. Человеческое тело представляет собой своеобразный конденсатор с достаточной емкостью. Когда палец касается сенсора, в цепи возникают слабые электрические токи в пределах 0,5 мкА. Если жало инструмента одновременно касается фазного проводника, происходит увеличение силы тока до значения, достаточного для открытия транзистора. Далее выполняется подключение питающего элемента к светодиоду, который начинает излучать свет.

Показатель напряжения срабатывания составляет около 50 вольт. Порог чувствительности удается снизить за счет использования собственных источников питания. Это дает возможность отличить ложные срабатывания, возникающие под действием наводок электрического поля.

Как найти фазу мультиметром

Чтобы определить фазу с помощью мультиметра, выставляем на нём режим определения напряжения переменного тока, который на корпусе тестера чаще всего обозначен как V~, при этом, всегда выбирайте предел измерения — уставку, выше предполагаемого напряжения сети, обычно это от 500 до 800 Вольт. Щупы подключаются стандартно: черный в разъем “COM”, красный в разъем «VΩmA».

В первую очередь, перед тем как искать фазу мультиметром, необходимо проверить его работоспособность, а именно работу режима вольтметра – определения напряжения переменного тока. Для этого проще всего попробовать определить напряжение в стандартной, бытовой розетке 220в.

Общие сведения

В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с электричеством практически в любом месте, где пребываем. Будь это работа или различные заведения: кино, театр, магазины, спортивные комплексы — перечислять можно очень долго. Что и говорить, мы пользуемся многими электроприборами ежедневно, причем лет так 20 или 30 лет назад их было не так много, как в настоящее время. Причем их число растет с завидной периодичностью.

Но все электрическое оборудование не может работать вечно и рано или поздно оно начинает ломаться, что просто неизбежно. Вечного двигателя пока еще никто не изобрел, поэтому на чудо надеяться не стоит. Некоторые люди хотят научиться чему-то новому, неизведанному и электричество не является исключением. Хотя бы потому, что можно самостоятельно проводить ремонт бытовой техники. Конечно, лучше приглашать специалиста, но легкую работу можно выполнить самостоятельно. Только для этого необходимо изучить фундаментальные понятия, дабы разобраться, что такое ноль и фаза.

Дополнительная информация

Выше рассматривались ситуации, когда нет индикационной отвертки, но имеется мультиметр или токовые клещи. Предполагалось, что до входа в помещение есть земля, фаза и нуль, а помещение со стороны потребителя прозванивается. В случае с тремя жилами метод еще проще, так как между фазой и любым проводом разница потенциалов равна 220 В. При этом нужно заметить, что способ не подойдет в других ситуациях, к примеру, когда имеется нулевая разница межфазного напряжения. В указанном случае тестер будет бесполезен.

Есть и другая методика проверки, применение которой в промышленных условиях, однако, запрещено.
Понадобится лампа в патроне с парой оголенных проводов. С помощью лампы определяется фаза — любую жилу можно замкнуть на заземление. Использование с этой целью водопроводных, канализационных или газовых коммуникаций запрещено. Можно использовать кабельную антенну, оплетка которой, согласно нормативам, должна быть заземлена, а это означает, что найти фазу можно будет с помощью тестера (или, как говорилось выше, можно использовать лампу в патроне).

Также можно использовать пожарные лестницы или металлические громоотводные шины. Необходимо зачистить сталь до появления блеска, а затем прозвонить фазу на зачищенном участке. Следует сказать, что далеко не всякая пожарная лестница имеет заземление в отличие от громоотводной шины. При обнаружении такого дефекта рекомендуется обращаться с жалобами на нарушение технологии защитного зануления в управляющие или государственные организации.

Как проверить фазу и ноль?

Теперь перейдем непосредственно к проверке ноля и фазы. Но перед стартом работ подобного типа, следует проверить работоспособность самого прибора, чтобы он отображал правильные данные, которые позволили провести нужные действия, выполняя следующие действия:

1. сначала следует осуществить визуальный осмотр и убедиться, что конструкция прибора полностью целостна и не имеет повреждений механического характера;
2. после выполнения этого действия, если никаких изъянов не найдено, следует протестировать устройство;
3. щуп следует при проверке вставить в оба отверстия рабочей розетки, одновременно с этим требуется большой палец руки держать на части рукояти диэлектрического сенсора – если что-то не так, индикатор не сработает;
4. при применении решения с индикатором неонового типа на батарейке можно зажать пальцами отверточное жало и пятачок; в случае активации светового диода, это будет означать исправность устройства.

Объясним определение фазы и ноля на самой обычной розетке. Нужно вставить отвертку в одно из розеточных отверстий и, как описано выше, прикоснуться пальцем к рукояточной пластинке. Если индикатор активировался, значит, удалось найти фазу. Потом вставляем устройство в иное отверстие – активации лампочки произойти не должно. Если все так, как и должно быть – это ноль.

Если же она и тогда светится от нулевого провода, чего вроде как быть не может, это значит, что есть две фазы. Не следует бояться, ведь это возможно, если просто исчез контакт на нулевом кабеле. Например, это можно произойти где-то в коробке. В розетке не может быть две фазы никоим образом: одна будет просто идти во второе отверстие через какие-то включенные электрические приборы (лампочки, стиральные машины, холодильники и так далее).

Следует отметить, что довольно часто многие путают простую индикаторную отвертку с прозвоночным вариантом. Во втором случае у отверток имеется батарейка. Если с использованием такой отвертки осуществить определение земли, то нет необходимости касаться пятки. Либо же лампочка будет активна, как в случае касания фазы, как и при касании нуля.

Определение нуля и фазы

Для того чтобы не перепутать нуль и фазу на выключателе, или при проведении других электромонтажных работ нужно пользоваться специальными фазоуказывающими инструментами или пробниками. Наиболее простым способом будет использование индикаторной отвертки.

Индикаторная отвертка

Чтобы знать, как определить фазу и ноль индикаторной отверткой, нужно понять принцип ее работы. Она настроена таким образом, что внутренняя неоновая лампа загорается при появлении разности потенциалов
между рабочим контактом отвертки и металлическим выводом на конце ее ручки. Для правильного указания фазы отверткой нужно выполнить простые действия:

1. Отключить питание от электросети автоматом;
2. Зачистить концы испытываемых проводников и развести их на безопасное расстояние;
3. Подать питание в электросеть;
4. Прикоснуться жалом пробника к концу испытываемого проводника;
5. Пальцем нажать на металлический вывод на конце ручки отвертки, касаться жала отвертки во время работы запрещается;
6. Если тестируется фаза — лампочка внутри пробника должна засветиться.

Кроме обычной индикаторной, существует отвертка для прозвонки. Она отличается тем, что имеет в своем составе батарейки и указывает фазу без касания пальцем ее противоположного металлического конца. Также существует индикаторная отвертка
с функцией обнаружения скрытой проводки. Она может определить, где внутри стены проходит электрическая сеть квартиры. В ней используется бесконтактный способ определения по электромагнитному полю, возникающему вокруг проводника.

Контрольная лампа

Еще один способ, как определить фазу и нуль без приборов — это изготовление контрольной лампы. Такой индикатор создается просто: нужно припаять провода достаточной длины к выводам патрона и вкрутить в него лампу накаливания или неоновую. Один из выводов такого определителя фазы присоединяется к батарее, а вторым можно проверить наличие питающего напряжения в сети
. Для этого зачищенным концом провода нужно коснуться испытываемого проводника. Если это фаза — лампа должна вспыхнуть. Этот способ весьма опасен, поэтому им нужно пользоваться только в исключительных случаях, к тому же он запрещен Правилами Безопасной Эксплуатации Электроустановок.

Измерение мультиметром

При отсутствии индикаторной отвертки и для более точных измерений напряжения питания сети используется мультиметр, еще его называют тестер. С помощью него можно определить фазовый, нулевой и заземляющий проводник
в трехпроводной сети. Дело в том, что индикаторная отвертка может показать только большие различия в потенциалах, то есть показывает только фазу. Мультиметр работает с различными сигналами: высокого и низкого уровня, положительными и отрицательными. Его задача — показывать параметры электроцепи.

Чтобы узнать, как найти фазу и ноль мультиметром, а также заземляющий провод, нужно правильно настроить и подключить это устройство измерения. Проводится это так:

1. Установить черный щуп мультиметра в гнездо, маркированное COM, а красный щуп — в гнездо с надписью U, Ω, Hz ;
2. Ручкой на передней панели выбрать режим измерения переменного тока, предел измерения больше 220 В.

После настройки нужно одновременно прикоснуться двумя концами щупов к двум тестируемым выводам. Значение на экране мультиметра:

• Более 100 В — найдены фаза и ноль;
• Более 160 В — найдены фаза и заземляющая линия;
• Менее 70 В — это ноль и заземляющий.

Протестировав таким образом все три линии, можно с уверенностью определить, где присутствует искомый потенциал.

Более простой способ, как определить фазу мультиметром, заключается в том, чтобы щупом, установленным в отверстие U, Ω, Hz поочередно прикоснуться ко всем концам электросети. В случае соприкосновения с фазовым
проводником мультиметр будет показывать напряжение 8 -15 В. В остальных случаях показания будут на уровне 0 — 3 вольта

Пользоваться мультиметром надо с осторожностью, используя изолирующую обувь и никогда не прикасаться руками к концам щупов без изоляции

При любых работах с электрической проводкой нужно соблюдать технику безопасности, то есть обесточивать помещение при монтаже и ремонте электрики, а во время теста на работоспособность при включенном автомате обеспечивать себе надежную защиту изоляцией.

При подключении различных электрических устройств (розетка или выключатель), не обязательно учитывать полярность проводников. Но что делать, если используемая проводка в доме трехжильная и не имеет цветовой маркировки, а устройства необходимо подключить с заземляющим проводником. Для этого существует несколько способов как проверить, какой из проводов является фазой, нулем или заземлением.

Как отличить по внешнему виду

Узнать, какие провода проходят в конкретной квартире, можно по их внешнему виду. Знать, как определить фазу и ноль без приборов, нужно, если отсутствуют оба из указывающих инструментов. Отличить провода можно по цвету их изоляции. Но этот метод применим только тогда, когда электропроводка выполнена с соблюдением всех правил ее укладки
. Желто-зеленый цвет изоляции указывает на то, что этот проводник — заземляющий. Голубой или синий цвет говорит о том, что провод нулевой, а коричневый, белый или черный цвет указывает на фазовую линию.

Но даже при уверенности в цвете проводки лучше ее перепроверить индикаторной отвёрткой или мультиметром, так как неправильное подключение чревато электротравмой.

Описание процесса

Начнём с фазы. Требуется включить устройство, после чего выставить на нём определение напряжения переменного характера, что на корпусе устройства обычно обозначается значком V~. Также следует выбрать предел измерения выше предполагаемого сетевого напряжения. Часто говорят о 400–700 В. Щупы тогда будут подключаться так: чёрный следует установить в разъём с пометкой COM, а красный – VΩmA. Но прежде чем осуществлять это, следует проверить работоспособность мультиметра в выбранном режиме. Проще попытаться выяснить напряжение в простой розетке. Для этого вставляем щупы в розеточные отверстия. Если устройство рабочее, и таковой будет розетка, то мультиметр покажет вам значение около 220–230 В.

Теперь приступим непосредственно к поиску фазы на примере 2 кабелей, торчащих из потолка и использующихся для включения люстры. Всё будет довольно легко. Требуется сформировать условия для прохождения электричества по прибору и установить этот факт. Создаётся электрическая цепь примерно такая, как с отвёрткой-индикатором.

При выяснении напряжения переменного характера с установленной границей 500 вольт, красным щупом нужно коснуться проверяемого кабеля, а чёрный прижать пальцами или коснуться предмета, что заземлён. Им может стать каркас стены из стали, отопительный радиатор и так далее. Если на проверяемом кабеле будет фаза, тестер высветит на дисплее величину напряжения около 220 В. Она может чуть различаться из-за условий, но будет примерно такой. Если провод не фаза, то появится 0 либо прибор покажет не более пары десятков вольт.

Теперь поговорим о том, как найти ноль. Он обычно находится уже относительно фазы. Сначала ищем её и логически предполагаем, что провод, расположенный рядом, ноль либо земля. Определить, является кабель нулём либо заземлением с помощью рассматриваемого устройства относительно сложно из-за того, что данные проводники почти одинаковы и повторяют друг друга.

Проще всего будет отключить от заземлительной шины в электрощитке кабель ввода. При осуществлении проверки напряжения между кабелями заземления и фазой нельзя будет получить 220 вольт, как при проверке фазы и нуля. Кроме того, следует сказать, что если в электрощите стоит защита дифференциального типа, то она точно сработает при проверке кабелей заземления относительно иного проводника, даже нулевого.

Если надо установить ноль в розетке, то следует красный щуп поставить в фазовую розеточную дырку, а чёрный поднести к иному контакту, после чего сделать эти же действия с третьим контактом. Обязательно следует запомнить напряжение в обоих случаях. Где оно будет меньше, там будет заземление. А там, где показатель будет чуть выше – там будет нулевой провод. В общем, как можно убедиться, ничего сложного в поиске нуля и фазы мультиметром нет.

Особенности домашних электрических сетей

Практически во всех квартирах электричество подается через однофазную сеть, с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц. Общее питание к жилому дому подводится посредством мощной трехфазной линии, а потом электроэнергия коммутируется в распределительных щитах. Дальнейшее движение тока к потребителям осуществляется по однофазным линиям с фазным и нулевым проводами.

Распределение нагрузки на каждую фазу должно быть максимально равномерным, чтобы избежать перекосов в процессе эксплуатации. В современных домах дополнительно прокладывается контур защитного заземления. Таким образом, в электрической сети добавляется еще один провод, который в дальнейшем тоже придется идентифицировать при необходимости.

В частном секторе нередко используются трехфазные линии. Напряжение в 380 вольт может напрямую подводиться к отдельным потребителям – отопительным котлам, электродвигателям и другому оборудованию. Однако для внутренней разводки внутри частного дома все равно используются однофазные линии, в которых равномерно распределяются все три фазы. Таким образом, к розеткам оказывается подведенными три провода – фазный, нулевой и заземление.

Определение фазы, нуля и заземляющего провода

Если сеть трехпроводная, но выполнена проводом одного цвета, либо вы не уверены в правильности их подключения, необходимо определять назначение проводников перед установкой каждого элемента сети.

1. Определите описанным выше способом фазный провод с помощью индикаторной отвертки и отметьте его маркером.
2. Для определения нулевого и заземляющего провода понадобится мультиметр. Как известно, из-за перекоса фаз в нулевом проводе может появиться напряжение. Его величина обычно не превышает 30В. Установите мультиметр в режим измерения напряжения переменного тока. Одним щупом прикоснитесь к фазному проводу, вторым поочередно к двум другим проводам. Там, где значение напряжения окажется меньше, вторым проводом будет являться нулевой проводник.
3. Если значение напряжения одинаково, необходимо измерить сопротивление заземляющего провода. Для этого уже определенный фазный провод лучше изолировать, чтобы избежать случайного прикосновения к нему. Мультиметр ставят в режим измерения сопротивления. Находят заведомо заземленный элемент, например, трубу или батарею. Зачищают при необходимости краску и прикасаются одним щупом мультиметра к металлу, а другим поочередно к проводникам, назначение которых неясно. Сопротивление заземляющего провода по отношению к заземленным элементам не должно превышать 4 Ом, сопротивление нулевого провода будет больше.
4. Измерение сопротивления может также быть недостоверным, если нейтраль заземлена в щитке. В этом случае вам нужно найти заземляющий проводник, присоединенный к шине внутри щитка, и отключить его. После этой операции необходимо взять патрон с лампой и подключенными проводами, зачистить их концы и подключить один провод лампы к фазному проводу, а второй – поочередно к двум другим. Лампа загорится при касании нулевого проводника.

Если все указанные мероприятия не привели к желаемому результату, лучше обратиться к профессиональным электрикам, которые с помощью специальных приборов произведут вызвонку всех цепей. Не забывайте, что речь идет, прежде всего, о безопасности.

При ремонте электрической проводки, или ее обслуживании часто может потребоваться определить какой провод подключен к нулю, а какой к фазе. Это требуется для установки выключателей или коммутации другого электрооборудования. Прежде, чем рассказать, как определить ноль и фазу, расскажем о связанных с этим предрассудках.

Фаза

Сами по себе термины «фаза», «ноль» и «земля» хорошо знакомы профессиональным электрикам. Но, к примеру, фаза встречается и в физике — под этим определением можно назвать несколько состояний воды:

• жидкое;
• твердое;
• газообразное.

Помимо этого, под фазой можно понимать несколько стадий колебания, что может относиться к волновому движению. В астрономии здесь несколько иное значение, что можно понять по наблюдению за луной.

Чуть выше было рассмотрено, как рождается электричество на станциях. Так вот именно на рабочую фазу, которую электрики называют просто — фазой, подается напряжение. Чтобы более точно представить себе, что это значит, следует раскрыть следующее понятие — ноль.

Алгоритм визуального осмотра

Во-первых, откройте щиток. Внимательно рассмотрите автоматические выключатели, количество которых зависит от расчетной нагрузки. К автоматам существует 2 варианта подключения:

• провод содержит только фазу;
• как фазу, так и ноль.

Провод заземления подключается непосредственно к шине.

Теперь, когда вы знаете значение расцветки и месторасположение кабелей, осталось лишь проверить, чтобы в щитке все соответствовало стандарту.

Далее, при условии, что в щитке ваша изоляция проводов соответствует правилам, необходимо открыть каждую распределительную коробку и визуально изучить состояние скруток. Здесь тоже не должно быть неточностей.

Очень часто бывают такие моменты, на которых не стоит заострять внимание. Например:.

• Распределительная коробка содержит выключатель, подсоединенный к фазе.
• Монтажники использовали провода с двумя жилами, изоляция которых отличалась от стандарта.

В обязательном порядке придерживайтесь правил техники безопасности и будьте осторожны и предельно внимательны, когда решаете вопросы с электричеством самостоятельно.

Как использовать прибор?

Выше мы рассмотрели, как найти при помощи индикаторной отвёртки фазный провод, а вот различить ноль и землю при помощи такого инструмента не получится. Тогда давайте поучимся, как проверить жилы мультиметром.

Подготовительный этап выглядит точно так же, как и для работы с индикаторной отвёрткой. При отключенном напряжении зачистите концы жил и обязательно их разведите, чтобы не спровоцировать случайного прикосновения и возникновения короткого замыкания. Подайте напряжение, теперь вся дальнейшая работа будет с мультиметром:

• Выберите на приборе измерительный предел переменного напряжения выше 220 В. Как правило, имеется отметка со значением 750 В на режиме «ACV», установите переключатель на это положение.
• На приборе имеется три гнезда, куда вставляются измерительные щупы. Найдём среди них тот, который обозначен буквой «V» (то есть для измерения напряжения). Вставьте в него щуп.

Прикасайтесь щупом к зачищенным жилам и смотрите на экран прибора. Если вы видите небольшое значение напряжения (до 20 В), значит, вы касаетесь фазного провода. В случае, когда на экране нет никаких показаний, вы нашли ноль мультиметром.

Для определения «земли» зачистите небольшой участок на любом металлическом элементе домашних коммуникаций (это могут быть водопроводные или отопительные трубы, батареи).

У нас есть три провода, среди них нужно отыскать фазу, ноль и землю. Одним щупом коснитесь зачищенного места на трубе или батарее, вторым дотроньтесь до проводника. Если на экране высвечивается показание порядка 150-220 В, значит, вы нашли фазный провод. Для нулевого провода при аналогичных замерах показание колеблется в пределах 5-10 В, при прикосновении к «земле» на экране ничего не будет отображаться.

Наметьте каждую жилу маркером или изолентой, а чтобы удостовериться в правильности выполненных измерений, сделайте теперь замеры относительно друг друга.

Прикоснитесь двумя щупами к фазному и нулевому проводникам, на экране должна появиться цифра в пределах 220 В. Фаза с землёй дадут немного меньшее показание. А если прикоснуться к нулю и земле, то на экране будет значение от 1 до 10 В.

Как самому определить фазу, ноль и заземление?

Смотрите также обзоры и статьи:

Любой человек, который запланировал выполнять любые электромонтажные работы во время ремонта в жилом или производственном помещении, рано или поздно столкнется с важнейшим вопросом: как самому определить где в электрической сети фаза, ноль и заземление. Ведь без этих знаний либо же придется воспользоваться услугами электрика, и нанимать его. Либо же самостоятельно, чтобы подключить люстру, бра, торшер, светильник, светодиодную ленту, любой электрический прибор, научится распознавать где защитный провод, где под напряжением, а где нулевой.

Определение по цветовой маркировке

Все современные кабели или электрические провода под своей изоляционной оболочкой содержат обычно три жилы, каждая из которых помечена изоляцией своего цвета. Таким образом, определить где какая жила можно и просто по цветовой маркировке. Так, обычно в новых проводах:

• фаза отмечена черным, белым или коричневым цветами;
• нейтральный провод, он же нулевой по мировым стандартам должен соответствовать синему или голубому цвету,
• а заземление или защитный кабель обычно выполнен в двухцветном варианте – желто-зеленый, полосатый и т.п.

На постсоветском пространстве закреплен на законодательном уровне стандарт IEC 60446 2004 года, который и регламентирует какого цвета необходимо применять и изготавливать электроизоляцию проводов. Согласно нему в жилых квартирах:

• синий или сине-белый провод – это ноль,
• желто-зеленый – земля;
• все остальные цвета могут быть фазой, как черный, так и красный.

Однако правило применимо в основном только для проводов, которые установлены в доме или офисе последние лет двадцать-тридцать. А как же быть с электросетями, которые были установлены раньше этого периода, где часто попадаются жилы с алюминиевым сечением? Или вам необходимо поменять часть какого-либо устройства или схемы, в которой данные цвета могли по стандартам и не быть использованы? Тогда вам пригодятся другие, более эффективные способы определения жил и напряжения в электропроводке.

Как определить ноль и фазу индикаторной отверткой

Одним из наиболее надежных, простых, доступных и не требующих особых затрат, и умений способом является определение ноль и фазы при помощи индикаторной отвертки. В чем заключается принцип работы индикаторной отвертки? Индикаторная отвертка – это ручной вспомогательный инструмент практически ничем не отличающийся от привычной нам плоской отвертки с пластиковой ручкой и металлическим наконечником, но есть одно «Но»: внутри рукояти есть индикационная лампочка или светодиод, который срабатывает свечением или загорается, если металлической частью коснутся фазы. На некоторых моделях для индикации следует также нажимать на специальную кнопку на рукояти, которая смыкает контакты и подает ток на индикатор. Однако в целях безопасности следует работать с такой отверткой только в резиновых перчатках электрика, чтобы избежать поражения электрическим током.

Как работать с индикаторной отверткой? В первую очередь, необходимо отключить напряжение в сети, и кусачками снять изоляцию на концах всех трех жил, оголив металлическую часть проводов, зачастую она будет медной. Дальше все три жилы необходимо развести между собой, так, чтобы они не соприкасались, чтобы избежать короткого замыкания при подаче на них напряжения.

После этого, одеть резиновые диэлектрические специальные перчатки и включить напряжение в сети. Хорошо, если ваш щиток имеет встроенный при монтаже устройства устройство защитного отключения. Или другими словами УЗО – он в аварийном режиме отключает питание в сети, если есть утечка тока на корпус.

Вооружившись индикаторной отверткой поочередно ее металлическим наконечником прикасаться к металлической оголенной части каждой жилы. Там, где лампочка индикаторной отвертки сработает и загорится – это фаза. Далее для работы с данными проводами следует изолентой после выключения напряжения замотать оголенные концы проводов.

Определение фазы, нуля и заземления контрольной лампой

Способ простой, однако не самый безопасный и требующий определенной ловкости и осторожности. Считается несколько кустарным и часто используется в грубых производственных условиях опытными мастерами, под рукой у которых не оказалось другого контрольного инструмента. Для того, чтобы воспользоваться данным методом, следует для начала собственно и собрать данную контрольную лампу. Для этого нужен патрон, два провода – фазы и нуля – и лампочка, можно самую обыкновенную, накаливания с вольфрамовой нитью. Это все необходимо скрутить, зачистить на концах его провода и поочередно скручивать с другими проводами в проводке, определить где фаза по тому, когда загорится лампа. Конечно же, скрутку нужно делать, отключив подачу напряжения на провода.

Если патрона не оказалось, можно задействовать часть светильника или настольной лампы, произведя ту же манипуляцию с концами его жил. Однако способ весьма сложный для неподготовленного и неопытного мастера, поскольку есть вероятность перепутать провода и пустить вместо постоянного тока, переменный, при котором лампочка тоже будет гореть. Лучше тогда основательно вывести жилу-землю, сделать ее нулем и тогда спокойно искать фазу.

Как определить фазу и ноль мультиметром

Мультиметры — универсальные многофункциональные приборы для измерения емкости, напряжения, сопротивления и силы тока, имеют отдельные выводы под щупы, укомплектованы самыми щупами, которыми легко и удобно пользоваться, точно определив напряжение. Это самый надежный и довольно простой способ определить фазу и ноль, без особых сложностей и безопасно для здоровья. Ведь все мультиметры имеют на своем корпусе прорезиненный диэлектрический чехол, который не только защищает от ударов тока, но и оставит прибор целым, если он случайно выскользнет из рук и упадет с высоты не более полутора метров. Универсальное мультифункциональное устройство для измерения силы тока, напряжения, сопротивления, емкости, частоты используется повсеместно, как автолюбителями, так и электронщиками, электриками, строителями, рабочими технических специальностей.

Есть целых пять причин, по которым стоит выбрать именно мультиметр для домашнего обихода и работы:

• Высокая точность измерений – при максимальных значениях постоянного напряжения 0,8%, при больших позициях переменного — максимум 1,2%.
• Возможность измерять переменное значение тока,
• Одновременное измерение кроме постоянного и переменного напряжения, сопротивления, также такие величины как емкость, частота, скважность, а также температура благодаря термопаре.
• Эргономический дизайн и большой мультифункциональный экран.
• Усиленная индикация батареи и перегрузки.

Это надежный и добротный инструмент для качественного измерения всех требуемых показателей для проверки электрических показаний в цепи питания, а также замера целостности цепи, схемы, платы.

Как же определить фазу и ноль мультиметром? Для начала необходимо знать, что практически все современные мультифункциональные приборы данного типа имеют жидкокристаллический экран, на который выводятся показания в цифровом эквиваленте, однако не плавно, как это было в аналоговых устройствах, без экрана, а рывками.

Поэтому при измерении стоит выждать некоторое время, буквально секунду-две, чтобы прибор определил точное напряжение в сети. Кстати, на панельной панели мультиметра есть множество, свыше 20-30 режимов работы, которые выбираются поворотным рычагом. На этом круге нужно найти тот, что отвечает за переменное напряжение в сети и выглядит как обозначение вольт, также в большинстве мультиметров вручную нужно настроить и диапазон измерений, хотя многие могут это сделать и автоматически.

Далее один из щупов присоединяем к разъему мультиметра, а его другую сторону металлическим наконечником прикасаемся к проводу или в розетку. Если показания на экране прибора будут соответствовать 10-15 вольтам, то, скорее всего, вы попали не в фазу, а в ноль. Если показания в пределах от ста и до 250 вольт – то это и есть фаза.

Как определить фазу и ноль без приборов

Без никаких приборов, даже самых примитивных, искать фазу и ноль в сети не особо стоит. Но если у вас крайний случай, то, рискнуть, конечно можно, но нельзя сказать, что безопасность при этом будет выдержана. Есть несколько оригинальных, забавных, но в тоже время достаточно надежных и точных способа это сделать. Для первого из них стоит взять из подручных средств, которые скорее всего найдутся в каждом доме картофелину. Да-да! А помимо этого два провода на полметра и резистор на 1 мегаом. Все это необходимо собрать, чтобы один проводник был подключен к трубе, а второй – вставить в отрезанную половинку картофелины. Второй провод вставить в срез картофелины рядом с первым. Произведя подобную манипуляцию, только спустя минут пять-десять необходимо оценивать результат измерений.

Что же должно произойти? На том месте, где соприкасался проводник с фазой, должно появится сине-зеленый след от взаимодействия крахмалистых соединений с электричеством, т.е. окисление. Где его не окажется – это нулевой провод.

Второй такой же неоднозначный метод – использование чашки с обыкновенной водой. Тут срабатывает принцип, чем-то схожий с функционированием кипятильника – минус будет там, где вода возле проводника начнет пузырится. Соответственно, методом исключения – плюс будет находится на втором проводе.

Как определить заземление

Кроме очевидного способа по определению заземления, который заключается в идентификации земли по цвету изоляции в жиле, в частности желто-зеленого цвета по мировым стандартам, существует и несколько других, менее очевидных.

Например, если у вас в доме были случаи, что электроприборы, будь то стиральная машина, компьютер, микроволновка, бились током, то практически можно быть полностью уверенным, что заземление в вашей проводке отсутствует, поскольку именно оно должно ликвидировать остаточное напряжение на корпусы электроустройств.

Можно определить заземление мультиметром по принципу исключения, провод, в котором вовсе не будет наблюдаться отклонений по переменному напряжению – скорее всего и будет им.

Выводы

Очень важно научится самостоятельно понимать где в розетке в вашем доме фаза, ноль и заземление, ведь скорее всего доведется столкнуться с необходимостью замены или дополнительной установки каких-либо устройств, связанных с электричеством. Однако настоятельно рекомендуем пользоваться надежными методами, а нетрадиционными только в случае крайней необходимости! А лучше – воспользоваться мультиметром, индикаторной отверткой или вызвать опытного и надежного специалиста-электрика.

ПОДХОДЯЩИЕ ТОВАРЫ

Поделиться в соцсетях

Как определить фазу и ноль — Построй свой дом

 

Любые электромонтажные работы в частном доме связаны с определением назначения жил проводки. Если сказать проще, возникает необходимость определить фазу и «ноль», а также заземляющий провод. Эта несложная для профессиональных электромонтеров задача порой ставит в тупик тех, кто мало знаком с правилами устройства электрических сетей. О том, как определить фазу и ноль в вашей электрической сети мы и поговорим в этой статье.

 

Устройство бытовых электрических сетей

 

В предыдущей статье мы уже говорили, что при технологическом присоединении вашего дома, вам подводится трехфазное напряжение 380 В. Разводка по дому имеет напряжение 220 В, так как она подключена к одной из фаз и нулевому проводнику. Кроме того, правильно смонтированная бытовая проводка должна быть обязательно заземлена. О том, как устроен заземляющий контур мы говорили в предыдущей статье. В домах старой застройки заземляющего проводника может и не быть. Таким образом, при монтаже проводки и электроприборов необходимо знать назначение каждого из двух или трех проводов.

 

Правила подключения электрических приборов

 

Также следует знать правила подключения различных приборов. При монтаже обычной розетки подключение фазного и нулевого провода производится к клеммам в произвольном порядке, а заземляющий провод, при его наличии, подключают к медной или латунной шине. В выключатель подключают фазный провод, чтобы при его отключении в патроне осветительного прибора не было напряжения. Это обеспечит безопасность при смене ламп. Сложные бытовые приборы необходимо подключать в обязательном соответствии с маркировкой проводов, в противном случае безопасность их использования не гарантирована.

 

Приборы и инструменты для электромонтажных работ

 

Прежде чем приступить к электромонтажным работам и определить фазу и ноль в проводке, необходимо подготовить необходимые приборы и инструмент:

• Мультиметр стрелочный или цифровой;
• Индикаторную отвертку или тестер;
• Маркер;
• Пассатижи;
• Нож для зачистки изоляции.

 

Также вам необходимо выяснить, где расположена защитная аппаратура: автоматические выключатели и УЗО. Обычно их устанавливают в распределительном щитке. Все операции по подключению электроаппаратуры и зачистке проводов необходимо проводить при отключенных автоматах.

 

Правила работы с индикаторной отверткой

 

Чтобы проверить фазу с помощью индикаторной отвертки необходимо зажать отвертку между большим и средним пальцем руки, не касаясь не изолированной части. Указательным пальцем дотронуться до металлического пятачка на торце ручки. Металлическим концом отвертки прикасаются к оголенным концам проводов. Если провод фазный, загорится светодиод.

 

Визуальный метод определения фазы

 

Если проводка выполнена по всем правилам, то определить фазу, ноль и заземляющий проводник в распределительной коробке можно по цвету изоляции. Заземление имеет двухцветную желто-зеленую окраску, изоляция нулевого провода бывает синей или голубой, а фазный провод может быть белым, черным или коричневым. Убедиться в правильности подключения можно с помощью визуального осмотра, при этом необходимо проверить соответствие цвета изоляции не только в щитке, но и в распределительных коробках. Для этого необходимо сделать следующие действия:

• Откройте щиток и осмотрите автоматические выключатели. В зависимости от расчетной нагрузки их количество может быть разным. Через автоматы может быть подключен только фазный провод. Заземляющий проводник подключают всегда сразу к шине. Проверьте соответствие цветовой маркировки всех проводов.
• Если в щитке цвет изоляции кабеля, уходящего в квартиру, соответствует правилам, вскройте все распределительные коробки и осмотрите соединения проводов. В них цвета изоляции нуля и заземляющего провода также не должны быть перепутаны.
• К фазе в распределительных коробках бывают подключены выключатели. Часто монтаж выполняют двужильным проводом, имеющим другие цвета изоляции, например, белый и бело-голубой. Это не должно вас смутить.

 

Определение фазы, нуля и заземляющего провода

 

Если сеть трех проводная и выполнена проводом одного цвета, либо вы не уверены в правильности подключения проводов, необходимо определять назначение проводников перед установкой каждого элемента сети.

 

 

• Определите фазный провод с помощью индикаторной отвертки и отметьте его маркером.
• Для определения нулевого и заземляющего провода понадобится мультиметр. Как известно, из-за перекоса фаз в нулевом проводе может появиться напряжение. Его величина обычно не превышает 30В. Установите мультиметр в режим измерения напряжения переменного тока. Одним щупом прикоснитесь к фазному проводу, вторым поочередно к двум другим проводам. Там, где значение напряжения окажется меньше, вторым проводом будет являться нулевой проводник.
• Если значение напряжения одинаково, необходимо измерить сопротивление заземляющего провода. Для этого уже определенный фазный провод лучше изолировать, чтобы избежать случайного прикосновения к нему. Мультиметр ставят в режим измерения сопротивления. Находят заведомо заземленный элемент, например, трубу или батарею. Зачищают при необходимости краску и прикасаются одним щупом мультиметра к металлу, а другим поочередно к проводникам, назначение которых неясно. Сопротивление заземляющего провода по отношению к заземленным элементам не должно превышать 4 Ом, сопротивление нулевого провода будет больше.
• Измерение сопротивления может также быть недостоверным, если нейтраль заземлена в щитке. В этом случае вам нужно найти заземляющий проводник, присоединенный к шине внутри щитка, и отключить его. После этой операции необходимо взять патрон с лампой и подключенными проводами, зачистить их концы и подключить один провод лампы к фазному проводу, а второй поочередно к двум другим. Лампа загорится при касании нулевого проводника.

 

Если все указанные рекомендации, как определить фазу и ноль, не привели к желаемому результату, лучше обратиться к профессиональным электрикам, которые с помощью специальных приборов произведут прозвонку всех цепей. Не забывайте, что речь идет о вашей безопасности.

 

В следующей статье я расскажу о видах ламп и цоколей.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Введение в фазово-контрастную микроскопию

Фазово-контрастная микроскопия, впервые описанная в 1934 году голландским физиком Фрицем Зернике, представляет собой оптический метод повышения контрастности, который можно использовать для получения высококонтрастных изображений прозрачных образцов, таких как живые клетки (обычно в культуре), микроорганизмы, тонкие ткани. срезы, литографические узоры, волокна, латексные дисперсии, фрагменты стекла и субклеточные частицы (включая ядра и другие органеллы).

Рисунок 1 — Конфигурация фазоконтрастного микроскопа

Фактически, метод фазового контраста использует оптический механизм для преобразования мельчайших изменений фазы в соответствующие изменения амплитуды, которые можно визуализировать как различия в контрасте изображения.Одним из основных преимуществ фазово-контрастной микроскопии является то, что живые клетки можно исследовать в их естественном состоянии без предварительного уничтожения, фиксации и окрашивания. В результате динамику протекающих биологических процессов можно наблюдать и записывать с высоким контрастом и четкостью мельчайших деталей образца.

Представлено в Рис. 1 представляет собой разрез современного вертикального фазово-контрастного микроскопа, включая схематическую иллюстрацию оптической последовательности фазового контраста.Частично когерентное освещение, создаваемое вольфрамово-галогенной лампой, направляется через линзу коллектора и фокусируется на специальном кольцевом пространстве (обозначенном кольцевое пространство конденсатора ), расположенном в передней фокальной плоскости конденсатора подэтапа. Волновые фронты, проходящие через кольцевое пространство, освещают образец и либо проходят сквозь него без искажений, либо дифрагируют и задерживаются по фазе структурами и фазовыми градиентами, присутствующими в образце. Неискаженный и дифрагированный свет, собираемый объективом, разделяется в задней фокальной плоскости фазовой пластиной и фокусируется в промежуточной плоскости изображения для формирования окончательного фазово-контрастного изображения, наблюдаемого в окулярах.

До изобретения методов фазового контраста освещение проходящего светлого поля было одним из наиболее часто используемых режимов наблюдения в оптической микроскопии, особенно для фиксированных, окрашенных образцов или других типов образцов, имеющих высокое естественное поглощение видимого света. В совокупности образцы, которые легко визуализируются при освещении светлым полем, называются объектами с амплитудой (или образцами), потому что амплитуда или интенсивность освещающих волновых фронтов уменьшается, когда свет проходит через образец.

Добавление фазово-контрастных оптических аксессуаров к стандартному светлопольному микроскопу можно использовать в качестве метода для получения эффекта усиления контраста в прозрачных образцах, напоминающего оптическое окрашивание (см. , рис. 2, ). Световые волны, которые дифрагируются и сдвигаются по фазе на образце (называемые фазовым объектом ), могут быть преобразованы с помощью фазового контраста в разности амплитуд, которые наблюдаются в окулярах. Большие, вытянутые образцы также легко визуализируются с помощью фазово-контрастной оптики из-за явлений дифракции и рассеяния, которые возникают на краях этих объектов.Характеристики современных фазово-контрастных микроскопов настолько совершенны, что позволяют обнаруживать образцы, содержащие очень маленькие внутренние структуры или даже всего несколько белковых молекул, когда технология сочетается с электронным улучшением и обработкой изображений после получения.

Представлено в Рис. 2 представляет собой сравнение живых клеток в культуре, полученное как при ярком поле, так и при фазово-контрастном освещении. Клетки представляют собой глиальную ткань головного мозга человека, выращенную в однослойной культуре, залитой питательной средой, содержащей аминокислоты, витамины, минеральные соли и эмбриональную телячью сыворотку.При освещении в светлом поле ( Рисунок 2 (а) ) клетки кажутся полупрозрачными, и видны только области с высокой рефракцией, такие как мембрана, ядро ​​и незакрепленные клетки (округлые или сферические). При наблюдении с использованием фазово-контрастных оптических аксессуаров в том же поле зрения можно увидеть значительно больше структурных деталей (, рис. 2 (b), ). Становятся различимыми клеточные прикрепления, как и большая часть внутренней структуры. Кроме того, значительно улучшен диапазон контрастности.

Рисунок 2 — Живые клетки в светлом поле и фазовый контраст

Разработка Цернике оптической теории фазового контраста является прекрасным примером того, как результаты исследований в узкоспециализированной области (в данном случае теоретической физике) могут привести к инновационным разработкам в, казалось бы, не связанных друг с другом дисциплинах, таких как биология и медицина. Во время Второй мировой войны Zeiss Optical Works в Йене, Германия, был первым производителем, внедрившим в свои микроскопы практическую фазово-контрастную оптику.Немедленное влияние на биологические исследования было значительным, и широкое применение методики продолжается и по сей день. Современные фазоконтрастные объективы, разработанные и производимые компанией Nikon и другими производителями оптики, могут работать в сочетании со вспомогательными методами повышения контрастности, такими как дифференциальный интерференционный контраст, флуоресценция и поляризованный свет. Эти объективы доступны с внутренними фазовыми пластинами, которые имеют различные уровни поглощения и фазового смещения окружающего (недифрагированного) освещения для получения широкого спектра выбора контраста образца и интенсивности фона для фазово-контрастной микроскопии.

Взаимодействие световых волн с фазовыми образцами

Падающий волновой фронт, присутствующий в освещающем луче света, разделяется на две составляющие при прохождении через фазовый образец. Первичный компонент представляет собой неискаженный (или недифрагированный; нулевого порядка ) плоский волновой фронт, обычно называемый объемной волной ( S ), которая проходит через образец и вокруг него, но не взаимодействует с ним. Кроме того, также создается отклоненный или дифрагированный сферический волновой фронт (волна D ), который рассеивается по широкой дуге (во многих направлениях), проходящей через полную апертуру объектива.Покинув плоскость образца, объемные и дифрагированные световые волны попадают в переднюю линзу объектива и затем фокусируются в промежуточной плоскости изображения, где они объединяются посредством интерференции, образуя результирующую волну частиц (часто называемую волной P ). ). Математическая взаимосвязь между различными световыми волнами, генерируемыми в фазово-контрастной микроскопии, может быть описана просто как:

Формула 1 — Взаимосвязь между различными световыми волнами, генерируемыми при фазово-контрастной микроскопии

P = S + D

Обнаружение изображения образца зависит от относительной разницы интенсивностей и, следовательно, от амплитуд частиц и окружающих ( P и S ) волн.Если амплитуды частиц и окружающих волн существенно различаются в плоскости промежуточного изображения, то образец приобретает значительный контраст и легко визуализируется в окуляры микроскопа. В противном случае образец остается прозрачным и выглядит так же, как в обычных условиях светлого поля (в отсутствие фазового контраста или других методов повышения контраста).

С точки зрения вариаций оптического пути между образцом и окружающей его средой, часть фронта падающей световой волны, которая проходит через образец ( D -волна), но не проходит через окружающую среду ( S -волна), немного отсталый.В качестве аргументов в фазово-контрастной микроскопии первостепенное значение имеет роль образца в изменении длины оптического пути (по сути, относительного фазового сдвига) проходящих волн. В классической оптике длина оптического пути ( OPL ) через объект или пространство является произведением показателя преломления ( n ) и толщины ( t ) объекта или промежуточной среды, как описано соотношением:

Формула 2 — Длина оптического пути

Длина оптического пути (OPL) = n × t

Когда свет проходит из одной среды в другую, скорость изменяется пропорционально разнице показателей преломления между двумя средами.Таким образом, когда когерентная световая волна, излучаемая сфокусированной нитью накала микроскопа, проходит через фазовый образец, имеющий определенную толщину ( t ) и показатель преломления ( n ), скорость волны либо увеличивается, либо уменьшается. Если показатель преломления образца больше, чем у окружающей среды, скорость волны уменьшается при прохождении через образец и впоследствии замедляется в относительной фазе, когда она выходит из образца. Напротив, когда показатель преломления окружающей среды превышает показатель преломления образца, волна продвигается синфазно при выходе из образца.Разница в расположении выходящего волнового фронта между образцом и окружающей средой называется фазовым сдвигом (δ) и определяется в радианах как:

Формула 3 — Фазовый сдвиг

δ = 2πΔ / λ

В приведенном выше уравнении термин D упоминается как разность оптического пути , что аналогично длине оптического пути:

Формула 4 — Разница оптического пути

Разница оптического пути (OPD) = Δ = (n ₂ — n ₁ ) × t

, где n (2) — показатель преломления образца, а n (1) — показатель преломления окружающей среды.Разница в оптическом пути складывается из двух составляющих: толщины образца и его разницы в показателе преломления с окружающей средой. Во многих случаях разница в оптическом пути может быть довольно большой даже при небольшой толщине образца. С другой стороны, когда показатель преломления образца равен показателю преломления окружающей среды, разность оптического пути равна нулю, независимо от того, велика ли толщина образца или мала.

Интерактивное учебное пособие —

Вариации длины оптического пути образца

Изучите влияние изменений показателя преломления и толщины на длину оптического пути и узнайте, как два образца могут иметь разные комбинации этих переменных, но при этом отображать одинаковую длину пути.

Для отдельных клеток в тканевой культуре разница в оптическом пути относительно мала. Типичная клетка в монослойной культуре имеет толщину около 5 микрометров и показатель преломления около 1,36. Клетка окружена питательной средой с показателем преломления 1,335, что дает разность оптического пути 0,125 мкм, или около четверти длины волны (зеленого света). Субклеточные структуры вызывают гораздо меньшую задержку развития. Эти небольшие разности оптических путей приводят к линейному снижению интенсивности с увеличением фазового сдвига (изображение постепенно становится темнее) до точки (в зависимости от конфигурации фазовой пластины), после чего изображение образца становится ярче за счет изменения контраста.В фазово-контрастной микроскопии интенсивность изображения не имеет простой линейной зависимости от разности оптических путей, создаваемых образцом для всей толщины и диапазона показателей преломления. Напротив, интенсивность зависит от множества факторов, включая поглощение на фазовой пластине, степень сдвига или замедления фазы на фазовой пластине и относительный знак этого фазового сдвига.

Волновые взаимодействия в фазово-контрастной микроскопии

Фазовые соотношения между объемными, дифрагированными и частичными ( S , D и P ) волнами в области образца в плоскости изображения для светлопольной микроскопии (при отсутствии оптических аксессуаров фазового контраста) равны представлена ​​на рисунке Рисунок 3 .Объемные волны и волны частиц, относительные амплитуды которых определяют степень контраста образца, показаны красными и зелеными линиями (соответственно). Волна, возникающая при дифракции от образца, которую никогда не наблюдают напрямую, изображается как синяя волна меньшей амплитуды. Объемные и дифрагированные волны рекомбинируют посредством интерференции, чтобы генерировать результирующую волну частиц в плоскости изображения микроскопа. Амплитуда каждой волны, показанной на рис. 3 , представляет собой сумму электрических векторов отдельных составляющих волн.

Рисунок 3 — Фазовые зависимости волн для микроскопии светлого поля

По сравнению с объемной волной, дифрагированная волна имеет меньшую амплитуду (поскольку в точке изображения дифрагированных фотонов меньше, чем объемных фотонов) и задерживается по фазе примерно на 90 градусов (четверть длины волны) из-за взаимодействия с образцом. Небольшой фазовый сдвиг в 1/20 длины волны, проявляемый результирующей волной частиц (который возникает из-за интерференции между дифрагированной и объемной волнами), обычно наблюдается для мельчайших деталей в ячейке и связан с разницей в длине оптического пути.Поскольку амплитуды объемных волн и волн частиц почти одинаковы, прозрачный образец полностью лишен контраста и почти невидим при наложении на яркий фон.

Связь между отдельными волновыми фронтами в светлопольной и фазово-контрастной микроскопии может быть описана векторно с использованием системы полярных координат. В этой системе длина вектора представляет собой амплитуду конкретной волны, в то время как угол поворота вектора относительно фиксированной точки отсчета (угловой фазовый сдвиг) означает степень фазового сдвига (см. Рисунок 3 (b) ). .Векторное представление волновых взаимодействий в фазово-контрастной микроскопии было введено Фрицем Зернике, а позже подробно разработано Робертом Барером. Хотя это наглядное пособие сегодня используется редко, многие тексты и исследовательские отчеты, опубликованные за последние несколько лет, основаны на обсуждениях волновых соотношений, проиллюстрированных векторными диаграммами.

На векторных диаграммах фазового контраста запаздывания фазы показаны как вращение по часовой стрелке (относительно произвольного азимута), тогда как опережения фазы изображены как вращение против часовой стрелки.В рис. 3 (b) , который технически представляет собой векторную диаграмму, векторная сумма объемного ( S ) и дифрагированного ( D ) волновых фронтов дает волновой фронт результирующей частицы ( P ). Этот механизм представления волновых соотношений удобен, поскольку помогает визуализировать фазовые сдвиги в дифрагированной волне и то, как они влияют на фазу результирующей волны частиц (и наоборот). Фазовый сдвиг дифрагированной волны относительно объемной волны на графике , рис. 3 (b) представлен как Φ, где:

Формула 5 — Фазовый сдвиг дифрагированной волны относительно объемной волны

Φ = ± 90 ° + φ / 2

В уравнении φ — относительный фазовый сдвиг (функция разности оптических путей) между волновыми векторами объемного ( S ) и частиц ( P ).Для образцов с пренебрежимо малой разницей оптического пути (фактически, без фазового сдвига) последний член уравнения равен нулю, а Φ становится ± 90 градусов. Как показано на рис. 3 (b) , дифрагированная волна ( D ), имеющая очень низкую амплитуду и небольшой (или отсутствующий) фазовый сдвиг, дает в результате частичную волну с амплитудой, которая почти равна амплитуде объемной волны. . Когда объемные волны и волны частиц имеют одинаковую амплитуду (или интенсивность), контраст не возникает, и образец остается невидимым на ярком фоне.

Фазово-контрастный микроскоп

Наиболее важной концепцией, лежащей в основе конструкции фазово-контрастного микроскопа, является разделение окружающих и дифрагированных волновых фронтов, выходящих из образца, которые проецируются на различные места в задней фокальной плоскости объектива (дифракционная плоскость на задней апертуре объектива) . Кроме того, амплитуда окружающего (неискаженного) света должна быть уменьшена, а фаза увеличена или замедлена (на четверть длины волны), чтобы максимизировать различия в интенсивности между образцом и фоном в плоскости изображения.Механизм создания относительной задержки фазы представляет собой двухэтапный процесс, при котором дифрагированные волны задерживаются по фазе на четверть длины волны на образце, в то время как окружающие волны продвигаются (или замедляются) синхронно фазовой пластиной, расположенной внутри или очень близко к ней. возле задней фокальной плоскости объектива. Для преобразования светлопольного микроскопа для фазово-контрастного наблюдения требуются всего два специализированных приспособления. Специально разработанная кольцевая диафрагма, которая по диаметру и оптически сопряжена с внутренней фазовой пластиной, находящейся в задней фокальной плоскости объектива, расположена в передней фокальной плоскости конденсора.

Рисунок 4 — Оптическая линия фазоконтрастного микроскопа

Кольцо конденсатора (проиллюстрировано на рис. 1 и рис. 4 ) обычно представляет собой непрозрачную плоско-черную (светопоглощающую) пластину с прозрачным кольцевым кольцом, которое расположено в передней фокальной плоскости (апертуре) конденсатор, чтобы образец мог освещаться расфокусированными параллельными световыми фронтами, исходящими от кольца.Конденсор микроскопа отображает кольцевую диафрагму на бесконечности, в то время как объектив создает изображение в задней фокальной плоскости (где расположена сопряженная фазовая пластина, как обсуждается ниже). Следует отметить, что во многих текстах освещение, исходящее от конденсора фазово-контрастного микроскопа, описывается как полый световой конус с темным центром. Эта концепция полезна для описания конфигурации, но не совсем точна. Кольцо конденсатора либо заменяет регулируемую ирисовую диафрагму, либо располагается рядом с ней в переднем отверстии конденсатора.При проведении экспериментов по фазовому контрасту с использованием конденсатора как с фазовым кольцом, так и с апертурной диафрагмой, убедитесь, что ирисовая диафрагма открыта шире, чем периферия фазового кольца. В отличие от дифференциального интерференционного контраста и модуляции контраста Хоффмана, круговая геометрия фазового контраста освещения и обнаружения позволяет наблюдать образец без артефактов, зависящих от ориентации. Фазовый контраст также нечувствителен к эффектам поляризации и двойного лучепреломления, что является основным преимуществом при исследовании живых клеток, растущих в сосудах для культивирования пластиковых тканей.

В условиях освещения Келлера окружающие световые волны, которые не взаимодействуют с образцом, фокусируются в виде яркого кольца в задней фокальной плоскости объектива (плоскости дифракции). В этих условиях задняя фокальная плоскость объектива сопряжена с передней плоскостью апертуры конденсора, поэтому недифрагированные (нулевого порядка) световые волны формируют яркое изображение кольца конденсора в задней апертуре объектива (накладывается на изображение объектива). фазовая пластина). Сферический волновой фронт, дифрагированный образцом (волны D ), проходит через плоскость дифракции в различных местах по всей задней апертуре объектива.Распределение (количество и расположение) дифрагированного света зависит от количества, размера и разности показателей преломления светорассеивающих объектов в образце. Для большинства образцов дифрагирует только небольшая часть падающих световых волн, и большая часть света проходит через них без отклонения и в конечном итоге освещает всю плоскость изображения.

Напротив, объемный плоский волновой фронт занимает меньшую часть задней апертуры объектива, что соответствует конъюгату кольца конденсатора.Таким образом, два волновых фронта не перекрываются в значительной степени и занимают отдельные участки задней фокальной плоскости объектива. Поскольку прямой свет нулевого порядка и дифрагированный свет пространственно разделены в плоскости дифракции, фазой любого волнового компонента (объемного, S или дифрагированного, D ) можно выборочно манипулировать, не мешая друг другу.

Интерактивное учебное пособие —

Оптические пути в фазово-контрастном микроскопе

Изучите пути света с помощью фазово-контрастного микроскопа и узнайте, как эти системы разделяют падающую электромагнитную волну на окружающее (S), дифрагированное (D) и получающееся в результате частицы ( P) компонент.

Фазовая пластина устанавливается в задней фокальной плоскости объектива или рядом с ней (см. рисунки 4 и 5 ) для выборочного изменения фазы и амплитуды окружающего (или неискаженного) света, проходящего через образец. В некоторых фазоконтрастных объективах тонкая фазовая пластина содержит вытравленное в стекле кольцо с уменьшенной толщиной, чтобы по-разному продвигать фазу объемной ( S ) волны на четверть длины волны.Часто кольцо также покрывают частично поглощающей металлической пленкой, чтобы уменьшить амплитуду окружающего света на 60-90 процентов. Поскольку задняя фокальная плоскость обычно находится рядом с внутренним элементом линзы, некоторые фазоконтрастные объективы создаются путем фактического протравливания поверхности линзы. Независимо от того, как изготовлен объектив, наиболее важным моментом, о котором следует помнить, является то, что каждый объектив фазового контраста модифицируется с включением фазовой пластины, что отсутствует во всех других объективах микроскопов.

Поскольку результирующая волна частицы создается исключительно за счет интерференции окружающего и дифрагированного волновых фронтов, интерференция между волновыми фронтами, достигающими плоскости изображения, генерирует частичную волну ( P ), имеющую амплитуду, которая теперь значительно меньше, чем у окружающего звука, когда наносится покрытие нейтральной плотности. Конечный эффект заключается в преобразовании относительной разности фаз, вносимой образцом, в разность амплитуд (интенсивности) света, выходящего из плоскости изображения.Поскольку человеческий глаз интерпретирует разницу в интенсивности как контраст, образец теперь виден в окулярах микроскопа, а также может быть снят на пленку с помощью традиционной системы камеры или в цифровом виде с использованием устройства CCD или CMOS. Все системы положительного фазового контраста выборочно увеличивают фазу линейного объемного ( S ) волнового фронта относительно фазы сферического дифрагированного ( D ) волнового фронта. В качестве альтернативы, отрицательный фазовый контраст задерживает окружающий волновой фронт по отношению к световым волнам, дифрагированным образцом.

Как правило, образцы с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда, кажутся темными на нейтральном сером фоне, тогда как образцы с более низким показателем преломления, чем среда для купания, выглядят ярче, чем серый фон. Однако это не всегда так, потому что специализированные объективы фазового контраста, имеющие более высокую нейтральную плотность в сочетании с более низкими значениями запаздывания (одна-восемь длины волны или меньше), могут вызывать инверсию контраста в более толстых образцах.В конечном итоге области с очень большой разницей оптических путей начинают казаться яркими.

Для изменения фазы и амплитуды пространственно разделенных окружающих и дифрагированных волновых фронтов в фазово-контрастных оптических системах был введен ряд конфигураций фазовых пластин. Поскольку фазовая пластина расположена в задней фокальной плоскости объектива (плоскости дифракции) или очень близко к ней, весь свет, проходящий через микроскоп, должен проходить через этот компонент. Часть фазовой пластины, на которой сфокусировано кольцевое пространство конденсатора, называется сопряженной областью , в то время как остальные области вместе именуются дополнительной областью .Сопряженная область содержит материал, ответственный за изменение фазы окружающего (недифрагированного) света на плюс или минус 90 градусов по отношению к фазе дифрагированных волновых фронтов. В общем, сопряженная область фазовой пластины шире (примерно на 25 процентов), чем область, определяемая изображением кольцевого пространства конденсатора, чтобы минимизировать количество окружающего света, которое распространяется на дополнительную область.

Рисунок 5 — Апертуры объектива и фазоконтрастная оптика

Типичная серия фазоконтрастных объективов с увеличивающимся увеличением и соответствующие им конденсаторные кольца представлены на рис. 5 .Как правило, при увеличении числовой апертуры и увеличения объектива ширина и диаметр фазовой пластины уменьшаются. Напротив, размер кольца конденсатора увеличивается с увеличением объектива. Также на , рис. 5, показаны в разрезе диаграммы, показывающие основные концепции, лежащие в основе конструкции положительной и отрицательной фазовых пластин. Положительная фазовая пластина создает темный контраст и содержит частично поглощающую пленку, предназначенную для уменьшения амплитуды окружающего волнового фронта.Кроме того, эта пластина содержит задерживающий фазу материал, предназначенный для сдвига (замедления) фазы дифрагированного света на 90 градусов. Пластина отрицательной фазы также содержит как задерживающие фазу, так и частично поглощающие материалы. Однако в этом случае оба материала зажаты внутри фазовой пластины, так что недифрагированный фронт волны является единственным затронутым видом (ослабленным и запаздывающим по фазе на 90 градусов).

Большинство фазовых пластин, доступных от современных производителей микроскопов, производятся путем вакуумного напыления тонких диэлектрических и металлических пленок на стеклянную пластину или непосредственно на одну из поверхностей линзы в объективе микроскопа.Роль тонкой диэлектрической пленки заключается в сдвиге фазы света, в то время как металлическая пленка снижает интенсивность недифрагированного света. Некоторые производители используют несколько просветляющих покрытий в сочетании с тонкими пленками, чтобы уменьшить количество бликов и паразитного света, отраженного обратно в оптическую систему. Если фазовая пластина не сформирована на поверхности линзы, она обычно цементируется между последовательными линзами, которые находятся рядом с задней фокальной плоскостью объектива. Толщина и показатели преломления диэлектрических, металлических и антиотражающих пленок, а также оптического цемента тщательно выбираются для получения необходимого фазового сдвига между дополнительными и сопряженными областями фазовой пластины.В оптической терминологии фазовые пластины, которые изменяют фазу окружающего света относительно дифрагированного света на 90 градусов (положительный или отрицательный), называются четвертьволновыми пластинами из-за их влияния на разность оптических путей.

Контрастность модулируется путем изменения свойств фазовой пластины, включая поглощение металлической пленки (или антибликового покрытия), показатель преломления материала, замедляющего фазу, и толщину фазовой пластины.Некоторые производители микроскопов предлагают разнообразные фазоконтрастные объективы с прогрессивной степенью контрастности. Например, линейка Nikon включает пять типов фазоконтрастных объективов. Объективы серии DL ( Dark Low ) создают темный контур изображения на светло-сером фоне. Эти объективы предназначены для получения положительного контраста между образцами, имеющими значительную разницу в показателе преломления, от окружающей среды, например, клеток тканевой культуры.Вариант объективов с немного более низкой контрастностью, DLL ( Dark Low Low ), дает лучшие изображения при освещении светлым полем, чем объективы DL, и используется в качестве универсального объектива для комбинированных наблюдений во флуоресценции, светлом поле, темном поле и дифференциальном режиме. интерференционный контраст.

Nikon также производит аподизированные фазоконтрастные объективы , которые содержат вторичное кольцо нейтральной плотности, предназначенное для уменьшения артефактов ореола по обе стороны от центрального фазового кольца.Образцы, имеющие очень малую разность фаз, являются идеальными кандидатами для получения изображений с помощью объективов Nikon DM ( Dark Medium ) с положительным фазовым контрастом, которые создают темный контур изображения на среднем сером фоне. Для отрицательного фазового контраста Nikon предлагает объектив BM ( Bright Medium ), который особенно подходит для визуального исследования жгутиков бактерий, простейших, фибриновых волокон, мельчайших глобул и клеток крови. Объективы с ярким средним фазовым контрастом дают яркие изображения на среднем сером фоне.Nikon дополнительно предлагает внешний модуль фазового контраста для некоторых моделей инвертированных микроскопов, который позволяет пользователям получать фазово-контрастные изображения с помощью высокоэффективных нефазоконтрастных объективов. Этот модуль позволяет вводить фазовое кольцо в плоскости, сопряженной с задней апертурой объектива.

В большинстве случаев простого увеличения относительной фазы окружающего волнового фронта недостаточно для получения высококонтрастных изображений в микроскопе. Это происходит потому, что амплитуда объемных волн значительно больше, чем амплитуда дифрагированных волн, и подавляет результирующие изображения, создаваемые интерференцией лишь небольшой части общего количества волн.Чтобы уменьшить амплитуду окружающего волнового фронта до значения, близкого к значению дифрагированной волны (и усилить интерференцию в плоскости изображения), фазовая пластина в объективе увеличивается в непрозрачности за счет применения полупрозрачного металлического (нейтрального плотность) покрытие. Окружающие световые волны, которые проходят почти исключительно через фазовую пластину в фазово-контрастном микроскопе, резко уменьшаются по амплитуде из-за непрозрачной фазовой пластины до значения, которое находится в диапазоне от 10 до 30 процентов от исходной интенсивности.

Конфигурации фазовой пластины, волновые отношения и векторные диаграммы, связанные с генерацией положительных и отрицательных фазово-контрастных изображений, представлены на рис. 6 . Кроме того, также проиллюстрированы примеры образцов, полученных с помощью этих методов. Как обсуждалось ранее, сферический волновой фронт дифрагированного света, выходящего из плоскости образца, задерживается на четверть длины волны относительно фазы плоского окружающего (или недифрагированного) волнового фронта.В оптической конфигурации с положительным фазовым контрастом (верхний ряд изображений в рис. 6 ) волновой фронт объемного ( S ) продвигается по фазе на четверть длины волны при прохождении фазовой пластины для получения суммарного фазового сдвига 180 градусов (одна половина длины волны). Усовершенствованный фронт объемной волны теперь может участвовать в деструктивной интерференции с дифрагированными ( D ) волнами в промежуточной плоскости изображения.

Рисунок 6 — Системы положительного и отрицательного фазового контраста

Обзор положительного фазового контраста представлен в верхней части Рис. 6 .Пластины с положительным фазовым контрастом (левая сторона , рис. 6 ) опережают объемную волну на четверть длины волны из-за протравленного кольца на стеклянной пластине, которое сокращает физический путь, проходимый волнами через пластину с высоким показателем преломления. Поскольку дифрагированные лучи образца ( D волн) задерживаются на четверть длины волны при взаимодействии с образцом, разница оптического пути между объемными и дифрагированными волнами при выходе из фазовой пластины составляет половину длины волны.Конечным результатом является разность оптического пути 180 градусов между объемными и дифрагированными волнами, что приводит к деструктивной интерференции для образца с высоким показателем преломления в плоскости изображения. Профили амплитуды деструктивно мешающих волн для положительного фазового контраста изображены на верхнем графике , рис. 6, . Амплитуда результирующей волны частицы ( P ) ниже, чем окружающая волна ( S ), из-за чего объект кажется относительно темнее фона, как показано на изображении Zygnema зеленых водорослей на крайний правый (обозначен как POS ).Векторная диаграмма, иллюстрирующая продвижение объемной волны на четверть длины волны, которая показана как поворот на 90 градусов против часовой стрелки при положительном фазовом контрасте, появляется между графиком и изображением на , рис. 6, .

Также возможно изготавливать оптические системы микроскопов, дающие отрицательный фазовый контраст, как показано в нижней части Рис. 6 . В этом случае объемная волна ( S ) задерживается (а не продвигается) на четверть длины волны относительно дифрагированной ( D ) волны.В результате образцы с высокими показателями преломления выглядят яркими на более темном сером фоне (см. Изображение, обозначенное NEG в нижней части , рис. 6, ). При отрицательном фазовом контрасте фазовая пластина объектива содержит приподнятое кольцо, которое замедляет фазу (а не увеличивает фазу, как при положительном фазовом контрасте) объемной волны нулевого порядка на четверть длины волны относительно фазы дифрагированной волны. Поскольку дифрагированная волна уже была задержана на четверть длины волны при прохождении через образец, разница оптического пути между окружающими и дифрагированными волнами устраняется, и возникает конструктивная интерференция для образца с высоким показателем преломления в плоскости изображения.Обратите внимание, что результирующая волна частицы ( P ) выше по амплитуде, чем волна объемного звучания ( S ) при отрицательном фазовом контрасте (см. Нижний график на , рис. 6, ). Также проиллюстрирована векторная диаграмма для отрицательного фазового контраста, где волновой вектор окружающего звука поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Интерактивное учебное пособие —

Положительный и отрицательный фазовый контраст

В этом интерактивном руководстве исследуются взаимосвязи между объемными (S), дифрагированными (D) и результирующими частицами (P) волнами в светлом поле, а также с помощью микроскопии положительного и отрицательного фазового контраста.

Важно отметить, что дифракционная картина, сформированная в задней фокальной плоскости объектива, представляет собой преобразование Фурье всех пространственных частот, отклоненных и рассеянных образцом в фазовом контрасте и во всех других формах оптической микроскопии. Следовательно, изображение, полученное в промежуточной плоскости изображения, и конечное изображение, наблюдаемое через окуляры (или записанное детектором), представляют собой обратные преобразования Фурье дифракционных картин, сформированных в задней фокальной плоскости объектива и точке глаза (плавающей над передней линзой окуляра). ), соответственно.Фазово-контрастная микроскопия использует преимущества этих свойств оптического сопряжения для повышения контрастности изображения путем изменения функции апертуры микроскопа для введения пространственной фильтрации конкретной информации изображения. Введение фазовой пластинки (фильтра) в задней дифракционной плоскости объектива позволяет преобразовывать вариации фазы образца в вариации интенсивности, которые можно наблюдать на конечном изображении.

Интерпретация фазово-контрастных изображений

Изображения, полученные с помощью фазово-контрастной микроскопии, относительно просто интерпретировать, когда образец тонкий и равномерно распределен на субстрате (как в случае с живыми клетками, выращенными в однослойной культуре ткани).Когда тонкие образцы исследуются с использованием оптики с положительным фазовым контрастом, которая является традиционной формой, выпускаемой большинством производителей, они кажутся темнее окружающей среды, когда показатель преломления образца превышает показатель преломления среды. Фазоконтрастная оптика по-разному увеличивает контраст около краев, окружающих протяженные образцы, например, границы между клеточной мембраной и питательной средой для купания, и дает общие высококонтрастные изображения, которые можно грубо интерпретировать как карты плотности.Поскольку амплитуда и интенсивность изображения образца в фазовом контрасте связаны с показателем преломления и длиной оптического пути, плотность изображения можно использовать в качестве измерителя для аппроксимации отношений между различными структурами. Фактически, ряд внутренних клеточных органелл, имеющих увеличивающуюся плотность, таких как вакуоли, цитоплазма, межфазное ядро ​​и ядрышко (или митотические хромосомы), обычно визуализируются как постепенно более темные объекты относительно фиксированного ориентира, такого как фон.Следует также отметить, что многочисленные оптические артефакты присутствуют на всех изображениях фазового контраста, а большие протяженные образцы часто имеют значительные колебания контрастности и интенсивности изображения. Симметрия также может быть важным фактором при определении того, как большие и маленькие образцы выглядят в фазово-контрастном микроскопе.

Разумная интерпретация фазово-контрастных изображений требует тщательного изучения и изучения, чтобы гарантировать, что артефакты не будут неправильно отнесены к важным структурным особенностям.Например, некоторые внутренние клеточные органеллы и компоненты часто имеют более низкий показатель преломления, чем окружающая цитоплазма, в то время как другие имеют более высокий показатель преломления. Из-за различных показателей преломления, которые демонстрируют эти многочисленные внутриклеточные структуры, внутренняя часть живых клеток, если рассматривать их в микроскопе с положительным фазовым контрастом, может обнаруживать ряд интенсивностей от очень ярких до чрезвычайно темных. Например, пиноцитотические везикулы, липидные капли и воздушные вакуоли, присутствующие в растениях и одноклеточных простейших, имеют более низкий показатель преломления, чем цитоплазма, и поэтому выглядят ярче, чем другие компоненты.Напротив, как обсуждалось выше, органеллы с высокими показателями преломления (ядра, рибосомы, митохондрии и ядрышки) в микроскопе выглядят темными. Если фазовая задержка, вносимая образцом, достаточно велика (фазовый сдвиг дифрагированной волны примерно на половину длины волны), интерференция между дифрагированными волнами и окружающими волнами становится конструктивной, делая эти образцы ярче, чем окружающий фон.

Чтобы избежать путаницы в отношении яркого и темного контраста на фазово-контрастных изображениях, следует тщательно учитывать различия в оптическом пути, возникающие при препарировании образца.Как обсуждалось выше, разность оптических путей получается из произведения показателя преломления и толщины образца (объекта) и связана с относительным фазовым сдвигом между образцом и фоновыми волнами (дифрагированной и объемной). Невозможно различить компоненты с высоким и низким показателем преломления на фазово-контрастном изображении без информации, относящейся к относительной толщине компонентов. Например, небольшой образец, имеющий высокий показатель преломления, может иметь такую ​​же разность оптических путей, что и более крупный образец, имеющий более низкий показатель преломления.Два образца будут иметь примерно одинаковую интенсивность при просмотре через оптическую систему фазового контраста. Во многих биологических экспериментах условия, вызывающие сокращение или набухание клеток или органелл, могут привести к значительным вариациям контраста. Внешнюю среду также можно заменить другой с более высоким или более низким показателем преломления для изменения контраста изображения образца. Фактически, влияние на контраст изображения вариаций показателя преломления в окружающей среде лежит в основе метода, известного как иммерсионная рефрактометрия .

Рисунок 7 — Образцы с положительным и отрицательным фазовым контрастом

Представлено в Рис. 7 — это несколько полупрозрачных образцов, отображаемых с помощью оптических систем как с положительным, так и с отрицательным фазовым контрастом. Рисунки 7 (a) и 7 (b) иллюстрируют ктеноидную чешую рыбы в положительном фазовом контрасте (, рисунок 7 (a) ) и отрицательном фазовом контрасте (рисунок 7 (b)) при относительно большом увеличении (200x). Эти чешуйки обычно встречаются у большинства костистых рыб (называемых Teleostei ).Передняя (или передняя) часть каждой чешуи обычно заправлена ​​за заднюю часть предыдущей чешуи. По мере роста рыбы растет и чешуя, в результате чего образуется узор из концентрических «колец» роста, число которых увеличивается с увеличением размера чешуи и похоже на те, что встречаются на поперечном срезе стволов деревьев. В некоторых случаях модели роста ктеноидной чешуи используются для оценки возраста рыбы. Годичные кольца кажутся темными, окруженными более светлыми серыми областями ореола при положительном фазовом контрасте (, рис. 7 (a), ), но становятся намного светлее и окружены темными впадинами с отрицательным фазовым контрастом (рис. 7 (b)).

Культура живых клеток яичников китайского хомячка кажется прозрачной в режиме яркого поля, когда она погружена в питательную среду, и клетки имеют показатель преломления, который очень близок к физиологическому буферу. В положительном фазовом контрасте ( Рисунок 7 (c) ) можно легко визуализировать внутренние клеточные детали, включая ядро ​​и органеллы. Однако при исследовании при освещении с отрицательным фазовым контрастом очертания клеток становится трудно различить, а внутренние детали в значительной степени не видны, за исключением органелл с высоким показателем преломления, которые становятся очень яркими ( Рисунок 7 (d) ).Наконец, человеческие эритроциты выглядят как темно-серые сплюснутые эллипсоиды с контуром пончика и яркими центрами в положительном фазовом контрасте ( Рисунок 7 (e) ), но те же клетки светлые с темными центрами ( Рисунок 7 (f) ) и резко выделяются на фоне отрицательного фазового контраста.

Два очень распространенных эффекта в фазово-контрастных изображениях — это характерные контрастные узоры halo и shade-off , в которых наблюдаемая интенсивность не соответствует напрямую разности оптического пути (значения показателя преломления и толщины) между образцом и окружающей средой. средний.Хотя эти шаблоны возникают как естественный результат оптической системы фазового контраста, их часто называют фазовыми артефактами или искажениями изображения. Во всех формах положительного фазового контраста яркие фазовые ореолы обычно окружают границы между крупными деталями образца и средой. Идентичные ореолы выглядят темнее, чем образец с оптическими системами с отрицательным фазовым контрастом. Эти эффекты дополнительно усиливаются флуктуациями разности оптических путей, которые могут сделать яркие ореолы темными при положительном фазовом контрасте и темные ореолы яркими при отрицательном фазовом контрасте.

Ореолы возникают в фазово-контрастной микроскопии, потому что круговое фазозадерживающее (и нейтральное по плотности) кольцо, расположенное на фазовой пластине объектива, также пропускает небольшую степень дифрагированного света от образца (это не ограничивается только прохождением окружающих волн). Проблема усугубляется тем фактом, что ширина окружающего волнового фронта нулевого порядка, проецируемого на фазовую пластину кольцевым пространством конденсатора, меньше, чем фактическая ширина кольца фазовой пластины. Разница в ширине между кольцом фазовой пластины и окружающим волновым фронтом обычно составляет от 25 до 40 процентов, но это необходимо из-за ограничений и требований оптической конструкции.Из-за пространственного расположения кругового фазовращающего кольца в плоскости дифракции объектива через кольцо фазовой пластины проходят только те волновые фронты, которые соответствуют низким пространственным частотам, дифрагированным на образце. Таким образом, дифрагированные волны образца, проходящие через фазовую пластину, остаются смещенными по фазе на 90 градусов (четверть длины волны) относительно света нулевого порядка (неискаженного или объемного). Результирующий артефакт ореола фазового контраста возникает из-за ослабления информации о низкой пространственной частоте, дифрагированной образцом, под очень малым углом по отношению к волновым фронтам нулевого порядка.Фактически, отсутствие деструктивной интерференции между низкочастотными волновыми фронтами, дифрагировавшими на образце, и неискаженными световыми волнами вызывает локализованное изменение контраста (проявляющееся гало), окружающее образец. Чтобы создать резкий край на изображении, все пространственные частоты, дифрагированные образцом, должны быть представлены в конечном изображении.

Interactive Tutorial —

Артефакты размытия тени и фазового контраста ореола

Изучите артефакты размытия и ореола, когда наблюдаемая интенсивность не напрямую соответствует разнице оптического пути (значения показателя преломления и толщины) между образцом и окружающей средой средний.

Фазоконтрастные ореолы особенно заметны вокруг больших объектов с низкой пространственной частотой, таких как ядра, диатомовые водоросли и целые клетки. Еще одним фактором, способствующим возникновению артефакта ореола, является перераспределение световой энергии в плоскости изображения от областей, где она деструктивна, к областям, где она является конструктивной. Большие высококонтрастные ореолы могут создавать запутанные изображения для образцов, создающих большие различия в оптическом пути, таких как эритроциты, плесень, простейшие, дрожжевые клетки и бактерии.С другой стороны, эффекты ореола часто могут подчеркивать различия в контрасте между образцом и его окружающим фоном и могут увеличить видимость тонких краев и деталей границ во многих образцах. Этот эффект особенно полезен при отрицательном фазовом контрасте, который создает темный ореол, окружающий низкочастотные детали изображения. Во многих случаях можно уменьшить степень фазового сдвига и дифракции, что приведет к уменьшению размера ореола вокруг образца. Самый простой способ удалить или уменьшить интенсивность ореолов — изменить показатель преломления среды наблюдения с помощью компонентов с более высоким показателем преломления, таких как глицерин, маннит, декстран или сывороточный альбумин.В некоторых случаях изменение показателя преломления среды может даже привести к изменению контраста изображения, превращая темные детали образца в яркие без значительного нарушения интенсивности фона.

Эффект ореола также можно значительно уменьшить за счет использования специально разработанных фазовых объективов, которые содержат небольшое кольцо из материала нейтральной плотности, окружающее материал центрального фазового кольца рядом с задней апертурой объектива. Эти объективы называются аподизированными фазово-контрастными объективами и позволяют просматривать и фотографировать структуры фазовых объектов, имеющих большие разности фаз, с выдающейся четкостью и четкостью деталей.В большинстве случаев субклеточные особенности (такие как ядрышки) можно четко различить как имеющие темный контраст с аподизированными объективами, но эти же особенности имеют яркие ореолы или отображаются в виде ярких пятен с использованием традиционной оптики фазового контраста. В аподизированной оптике контраст меняется на противоположный из-за большой амплитуды дифрагированного света по сравнению с амплитудой прямого света, проходящего через образец.

На практике уменьшение ореолов и увеличение контраста образца с помощью аподизированных оптических систем может быть достигнуто за счет использования селективных амплитудных фильтров, расположенных рядом с фазовой пленкой в ​​фазовых пластинах, встроенных в объектив в задней фокальной плоскости.Эти амплитудные фильтры состоят из тонких пленок нейтральной плотности, нанесенных на фазовую пластину, окружающую фазовую пленку. Коэффициент пропускания кольца фазового сдвига в классической фазовой пластине составляет приблизительно 25 процентов, в то время как пара соседних колец, окружающих кольцо фазового сдвига в аподизированной пластине, имеет нейтральную плотность с пропусканием 50 процентов. Ширина фазовой пленки в обеих пластинах одинакова. Эти значения согласуются со значениями пропускания тонких пленок со сдвигом фазы, нанесенных на стандартные пластины в фазово-контрастных микроскопах.

Рисунок 8 — Затенение при положительном и отрицательном фазовом контрасте

Затенение — еще один очень распространенный оптический артефакт в фазово-контрастной микроскопии, который наиболее легко наблюдается на больших образцах с протяженной фазой. Обычно можно ожидать, что изображение большого фазового образца, имеющего постоянную длину оптического пути по диаметру, будет в микроскопе равномерно темным или светлым. К сожалению, интенсивность изображений, полученных с помощью фазово-контрастного микроскопа, не всегда имеет прямую линейную зависимость от разности оптических путей, создаваемых образцом.Другие факторы, такие как поглощение на фазовой пластине и величина задержки или продвижения фазы, а также относительный размер перекрытия фазовой пластины и кольцевого пространства конденсатора, также играют решающую роль. Профиль интенсивности большого, однородно толстого образца с положительным фазовым контрастом часто постепенно увеличивается от краев к центру, где интенсивность света в центральной области может приближаться к интенсивности света окружающей среды (обратное верно для образцов с отрицательной фазой). Этот эффект называется размыванием и часто наблюдается при исследовании протяженных плоских образцов, таких как пластины материала (стекло или слюда), копии, сплющенные клетки культуры ткани и крупные органеллы.

Эффекты ореола и теневых артефактов как в положительном, так и в отрицательном фазовом контрасте представлены на рис. 8 для гипотетического образца с удлиненной фазой, имеющего прямоугольную геометрию и более высокий показатель преломления, чем окружающая среда ( рис. ). Профиль интенсивности, записанный в центральной части образца, показан на рис. 8 (b) . При положительном фазовом контрасте (, рис. 8 (c) ) изображение образца демонстрирует отчетливо яркий ореол и демонстрирует драматический эффект затемнения, который проявляется в постепенном увеличении интенсивности при переходе от краев к центральной области образца. (см. профиль интенсивности на рис. 8 (d) ).Эффекты ореола и затемнения изменили интенсивность на противоположную в отрицательном фазовом контрасте (, рис. 8 (e) и 8 (f), ). Темный ореол окружает изображение образца при просмотре с помощью оптики с отрицательным фазовым контрастом (, рис. 8 (e) ), а переход тени от яркого по краям до более темных уровней серого в центре. Кроме того, профиль интенсивности (, рис. 8 (f) ) противоположен профилю, наблюдаемому при положительном фазовом контрасте.

Явление затемнения также обычно называют эффектом зоны действия , потому что центральные зоны, имеющие одинаковую толщину в образце, дифрагируют свет иначе, чем зоны с высокой степенью преломления на краях и границах.В центральных областях образца как относительные углы, так и количество дифрагированного света резко уменьшаются по сравнению с краями. Поскольку дифрагированные волновые фронты, исходящие из центральных областей образца, имеют лишь незначительное пространственное отклонение от неисклоненных окружающих волновых фронтов нулевого порядка (но все еще задерживаются по фазе на четверть длины волны), они улавливаются фазовой пластиной в задней части объектива. фокальная плоскость вместе с окружающим светом. В результате интенсивность центральной области образца остается практически такой же, как и у фона.Появление эффектов затемнения на относительно плоских плоских участках образца, наряду с чрезмерно высоким контрастом, создаваемым краями и границами, является убедительным доказательством того, что механизм фазового контраста в первую очередь контролируется комбинированными явлениями дифракции и рассеяния.

Артефакты ореола и затемнения зависят как от геометрических, так и от оптических свойств фазовой пластинки и исследуемого образца. В частности, ширина и коэффициент пропускания материала фазовой пластины играют решающую роль в управлении этими эффектами (ширина фазовой пластины обычно составляет около одной десятой общей площади апертуры объектива).Более широкие фазовые пластины с пониженным коэффициентом пропускания имеют тенденцию создавать ореолы большей интенсивности и затемнение, тогда как диаметр кольца оказывает меньшее влияние на эти эффекты. Для конкретного фазового объектива (положительного или отрицательного) разница оптического пути, размер, форма и структура образца имеют существенное влияние на серьезность эффектов ореола и затемнения. Кроме того, на эти эффекты сильно влияет увеличение объектива, при меньшем увеличении изображения получаются лучше.

Выводы

Фазовый контраст — отличный метод повышения контрастности тонких прозрачных образцов без потери разрешения, который оказался ценным инструментом при изучении динамических событий в живых клетках. До внедрения фазово-контрастных оптических систем клетки и другие полупрозрачные образцы становились видимыми в светлопольной микроскопии с помощью методов искусственного окрашивания. Хотя эти образцы можно наблюдать и регистрировать с помощью темного поля и наклонного освещения, или путем расфокусировки светлопольного микроскопа, эта методология оказалась ненадежной в предоставлении важной информации о клеточной структуре и функциях.

Техника фазового контраста широко применяется в биологических и медицинских исследованиях, особенно в области цитологии и гистологии. Таким образом, методология используется для исследования живых клеток, тканей и микроорганизмов, которые прозрачны при освещении светлым полем. Фазовый контраст позволяет легко визуализировать внутренние клеточные компоненты, такие как мембрана, ядра, митохондрии, веретена, митотический аппарат, хромосомы, аппарат Гольджи и цитоплазматические гранулы как растительных, так и животных клеток и тканей.Кроме того, фазово-контрастная микроскопия широко используется для диагностики опухолевых клеток и роста, динамики и поведения самых разных живых клеток в культуре. Для инвертированных микроскопов, используемых для исследования культур тканей, были разработаны специализированные оптические системы фазового контраста с большим рабочим расстоянием. Другими областями биологии, которые выигрывают от наблюдения фазового контраста, являются гематология, вирусология, бактериология, паразитология, палеонтология и морская биология.

Промышленные и химические применения для фазового контраста включают минералогию, кристаллографию и исследования морфологии полимеров.Бесцветные микрокристаллы, порошки, твердые частицы и кристаллические полимеры, имеющие показатель преломления, который лишь незначительно отличается от показателя преломления окружающей иммерсионной жидкости, часто легко наблюдаются с помощью фазово-контрастной микроскопии. Фактически, количественная рефрактометрия часто используется для получения значений показателя преломления и в целях идентификации. Другие коммерческие продукты, исследуемые с помощью оптических методов фазового контраста, включают глины, жиры, масла, мыло, краски, пигменты, пищевые продукты, лекарства, текстиль и другие волокна.

Фазово-контрастная микроскопия падающего света, хотя в значительной степени вытеснена методами дифференциального интерференционного контраста, полезна для исследования поверхностей, включая интегральные схемы, кристаллические дислокации, дефекты и литографию. Хорошим примером являются дефекты упаковки в кремниевых эпитаксиальных пластинах, которые имеют огромное значение для полупроводниковой промышленности. В системах фазового контраста отраженного света изображение освещающего кольца проецируется в заднюю фокальную плоскость объектива, где обычно располагается фазовая пластинка.Кроме того, фазовая пластина не расположена внутри объектива, но изображение задней фокальной плоскости формируется системой вспомогательных линз, которая предотвращает отражения и рассеяние, создаваемые фазовой пластиной. Следует отметить, что при фазово-контрастной микроскопии в отраженном свете разность фаз возникает из-за рельефа на поверхности образца, а не из-за фазовых градиентов внутри образца.

Уменьшение артефактов ореолов и затемнения остается первоочередной задачей в фазово-контрастной микроскопии.Аподированные фазовые пластины полезны для уменьшения выраженности ореола, а специализированные системы переменного фазового контраста могут быть настроены для управления этими эффектами, чтобы оптимизировать качество изображения и точность информации, получаемой с помощью этого метода. Также существует значительный интерес к разработке усовершенствованных систем фазового контраста, которые обеспечивают точные измерения фазовых образцов, имеющих большие разности оптических путей, а также комбинированные наблюдения с другими методами усиления контраста.В частности, фазовый контраст часто используется с флуоресцентной визуализацией для определения местоположения флуорофоров и показывает перспективность увеличения контраста в сканирующей оптической микроскопии.

Нулевая фаза в студийных мониторах

В центре внимания этой звуковой катушки, написанной Вэнсом Дикасоном с комментариями Флойда Тула, Вольфганга Клиппеля, Эндрю Джонса и Джеймса Крофта, основное внимание уделяется нулевой фазе в студийных мониторах. Как объясняет Дикасон, «использование КИХ-фильтров для обнуления фазы громкоговорителя с целью улучшения его субъективных характеристик кажется изначально ошибочным, учитывая все исследования, проведенные в течение многих лет, которые пришли к выводу, что человеческое ухо не очень чувствительно к фазовой или групповой задержке.»Эта статья была первоначально опубликована в Voice Coil, октябрь 2019 года.

Если вы следите за рынком студийных мониторов, текущие предложения в отрасли включают преобладание двухполосных и трехполосных динамиков с питанием, часто использующих усилители класса D и некоторые из них. высокопроизводительные секции DSP, способные настраивать FIR-фильтры.Это не новость, и в последние несколько лет это происходит, поскольку все больше и больше усилителей класса D с высококачественным звучанием появляются вместе с все более и более мощными микросхемами DSP (например,g., серия модулей DSP SHARC от Analog Devices, Inc.).

Как только такая большая мощность DSP стала доступной, стало возможным создавать безэховый отклик громкоговорителя с нулевым фазовым профилем, если хотите, с линейной фазой, с помощью КИХ и БИХ фильтров. В качестве быстрой графической иллюстрации на рисунке 1 показан трехполосный динамик с нормальной фазовой кривой. На рисунке 2 показан тот же динамик с типичной кривой нулевой фазы (красная линия), наложенной на рисунок 1. Я также должен отметить, что существует отличная бесплатная программа под названием «rePhase» (см. Рисунок 3), которая позволяет визуализировать фазовую характеристику динамика до нуля так же просто, как выравнивание амплитуды динамика, и действительно, графический интерфейс выглядит как 1/3 октавный фазовый эквалайзер (доступен по адресу http: // rephase.org).

В результате использования мощной технологии DSP ряд производителей студийных мониторов заявляют о превосходных субъективных характеристиках своих продуктов благодаря применению нулевой фазы и сопутствующей коррекции импульсной и групповой задержки. Субъективные претензии — это, как правило, более плотные басы и значительно более широкая звуковая сцена, два очевидных положительных аспекта характеристик громкоговорителей.

Рисунок 1: Амплитуда и откорректированная, нормальная фазовая характеристика трехполосного громкоговорителя.Рисунок 2: Это тот же график с наложенной кривой нулевой фазы (красная линия).
Однако вначале я должен отметить, что это явление, если вы хотите его так назвать, существует пока только, по крайней мере, из моих исследований, в сообществе профессиональных студийных мониторов, якобы потому, что рынок высококачественных двухканальных преобладают пассивные конструкции, которые делают такую ​​фазовую коррекцию трудной или невозможной. Это было для меня немного шоком, так как мое единственное знакомство с техниками нулевой фазы, используемыми в профессиональном звуке, было связано с объединением массивов динамиков или с эквализацией помещения.Я помню, когда в середине 1970-х годов появились громкоговорители с линейной фазой, когда Technics представила серию SB с драйверами, физически выровненными по времени и отведенными от перегородки низкочастотного динамика (см. Фото 1).

В конце концов, все, казалось, сообразили, что это создает столько же проблем, сколько и решает, а проблема с кенгуру в основном исчезла из поля зрения общественности. В те дни было много путаницы в отношении фазы, групповой задержки и акустического центра, и я не осознавал, что это снова проблема до прошлого года.

Использование КИХ-фильтров для обнуления фазы громкоговорителя с целью улучшения его субъективных характеристик кажется по своей сути ошибочным, учитывая все исследования, проведенные на протяжении многих лет, которые пришли к выводу, что человеческое ухо не очень чувствительно к фазовой или групповой задержке. Учитывая это, я решил узнать еще несколько мнений по этому поводу и разослал электронные письма ряду людей, чье мнение я очень уважаю, с вопросом, что они думают о концепции нулевой фазы, улучшающей субъективные характеристики громкоговорителей.В этом письме я просто затронул эту тему без своих выводов и перечислил ряд веб-сайтов студийных мониторов, рекламирующих профили нулевой фазы в своих мониторах. Далее следует ответ нескольких из этих практиков (двое занимали корпоративные должности, которые не позволили обществу получить резонанс и здесь не публикуются). В этот список вошли доктор Флойд Тул, доктор Вольфганг Клиппель, Эндрю Джонс и Джеймс Крофт.

Фото 1. Это пример линейного фазового громкоговорителя Technics 1970-х годов SB-7000a.
Доктор Флойд Тул
Поскольку это половина передаточной функции, инженеров привлекает правильная амплитуда и фаза (то есть точность формы сигнала). Оказывается, по совершенно логичным причинам люди не реагируют на фазу (то есть формы волны), будь то Бетховен, ступенчатые функции, прямоугольные волны и т. Д. Многие высокомотивированные исследователи исследовали это. Но каждые несколько лет он возвращается как «забытый фактор» в звуковоспроизведении. Теперь с DSP это происходит снова.

Тот факт, что преобразователи являются устройствами с минимальной фазой в пределах своего рабочего диапазона частот, упрощает настройку. Сделайте его плоским и гладким по оси и держите его сглаженным по оси — пусть Spinorama хорошо выглядит, и она будет хорошо звучать. QED. Напротив, мы чрезвычайно чувствительны к колебаниям амплитудной характеристики, особенно связанным с резонансами. Но есть и аномалия — мы слышим спектральный бугорок, а не временный звон. Недавние исследования показали, что это верно даже для низких частот, где наша интуиция подсказывает обратное.

Вот что я говорю по теме в третьем издании моей книги «Воспроизведение звука: акустика и психоакустика»
Громкоговорители и комнаты.

4.8 Фаза и полярность — слышим ли мы сигналы? — Очень давно, в рамках моего самообразования о слуховой системе, я узнал, что основной процесс преобразования во внутреннем ухе выполняется как полуволновой выпрямитель. Уже одно это дает основание думать, что акустические сжатия будут отличаться от акустических разрежений.Мы должны быть чувствительны к деталям акустической волны, поскольку она вызывает движение барабанной перепонки и, таким образом, инициирует процесс слуха. Исходя из этой простой логики, сдвиги фазы и абсолютная полярность должны быть слышимыми явлениями.

Естественно, я провел несколько тестов, поменяв полярность громкоговорителей на обратную и введя фазовый сдвиг для искажения музыкальных сигналов — прислушиваясь к большим различиям. Их там не было. По крайней мере, не в музыке, которую я слушал, через громкоговорители, которые я использовал, из музыкальных источников, которые я использовал.Может, я просто не мог этого слышать. Да, были времена, когда мне казалось, что я что-то слышу, но они были неуловимыми, и их было трудно повторить. Смена громкоговорителей сильно изменила ситуацию. Смена звукозаписывающих компаний или инженеров привела к огромным изменениям. Но ожидаемого «драматического» события инвертирования полярности, похоже, не было, несмотря на то, насколько привлекательной является идея целостности формы волны с инженерной точки зрения. Слышны они или нет, и если да, имеет ли значение при прослушивании в реальном мире?

4.8.1 Слышимость фазового сдвига и групповой задержки — комбинация зависимости амплитуды от частоты (частотная характеристика) и фазы от частоты (фазовая характеристика) полностью определяет линейное (независимое от амплитуды) поведение громкоговорителей. Преобразование Фурье позволяет преобразовать эту информацию в импульсную характеристику и, конечно, можно сделать обратное. Итак, есть два эквивалентных представления линейного поведения систем: одно в частотной области (амплитуда и фаза), а другое во временной области (импульсная характеристика).

Огромное количество свидетельств указывает на то, что слушателей привлекают линейные (плоские и плавные) амплитудно-частотные характеристики; больше будет показано позже. Фигура (рис. 7), как подробно описано у Тула (1986), и отрывки, показанные на рис. 5.2 [см. Стр. 114 Sound Reproduction, 3rd Edition], указывают на то, что слушатели явно отдавали предпочтение громкоговорителям с плавными и ровными частотными характеристиками.

На том же рисунке 5.2 также показаны фазовые характеристики тех же громкоговорителей.Трудно увидеть какую-либо надежную связь с предпочтениями слушателей, за исключением того, что у тех, у кого наивысшие оценки, были самые плавные кривые, но линейность, похоже, не была фактором. Слушателей привлекали громкоговорители с минимальными признаками резонансов, поскольку резонансы проявляются в виде выпуклостей на кривых частотной характеристики и быстрых отклонений вверх-вниз на кривых фазовой характеристики. Наиболее желательными частотными характеристиками были приближения к горизонтальным прямым линиям. Соответствующие фазовые характеристики не имели особой формы, кроме плавности.Это говорит о том, что нам нравятся плоские амплитудные спектры, мы не любим резонансы, но мы, кажется, нечувствительны к общему фазовому сдвигу, а это означает, что точность формы сигнала не является требованием.

Если кто-то решит разработать систему громкоговорителей с линейной фазой, будет только очень ограниченный диапазон положений в пространстве, в которых она будет применяться. Это ограничение можно учесть для прямого звука из громкоговорителя, но даже одиночное отражение разрушает взаимосвязь.

Следовательно, кажется, что: (а) из-за отражений в среде записи существует небольшая вероятность фазовой целостности в записанном сигнале; (б) существуют проблемы при разработке громкоговорителей, которые могут передавать сигнал с фазовой целостностью в большом диапазоне углов, и (в) нет никакой надежды на то, что он достигнет слушателя в обычно отражающей комнате.Однако еще не все потеряно, потому что два уха и мозг, похоже, не заботятся.

Многие исследователи на протяжении многих лет пытались определить, имеет ли значение сдвиг фазы для качества звука (например, Hansen and Madsen, 1974; Lipshitz et al., 1982; Van Keulen, 1991; Greenfield and Hawksford, 1990). В каждом случае было показано, что, если он слышен, это тонкий эффект, который легче всего услышать через наушники или в безэховой камере с использованием тщательно подобранных или надуманных сигналов. Существует довольно общее согласие с тем, что для музыки, воспроизводимой через громкоговорители в обычно отражающих комнатах, фазовый сдвиг практически или полностью не слышен.

Когда слышна разница, когда она включается и выключается, неясно, были ли у слушателей предпочтения. Другие исследовали слышимость групповой задержки: Blauert and Laws (1978), Deer, Bloom and Preis (1985), Bilsen and Kievits (1989), Krauss (1990), Flanagan, Moore, and Stone (2005), Møller и др. al. (2007) обнаружили, что порог обнаружения находится в диапазоне от 1,6 до 2 мс и более в отражающих пространствах. Эти цифры не превышаются для обычных бытовых и мониторных громкоговорителей.

Липшиц, Покок и Вандеркой (1982) приходят к выводу: «Все описанные эффекты можно с полным основанием классифицировать как незначительные. На нынешнем уровне знаний мы не утверждаем, что фазовые линейные преобразователи необходимы для высококачественного воспроизведения звука ». Гринфилд и Хоксфорд (1990) отмечают, что фазовые эффекты в комнатах — это «действительно очень тонкие эффекты» и кажутся в основном пространственными, а не тембральными. Что касается необходимости коррекции фазы, без процесса записи с коррекцией фазы, любое мнение слушателя является личным предпочтением, а не признанием «точного» воспроизведения.

4.8.2 Фазовый сдвиг на низких частотах; Особый случай — при записи и воспроизведении низких частот происходит накопление фазового сдвига на низких частотах, который возникает всякий раз, когда характеристика фильтра высоких частот вставляется в тракт прохождения сигнала. Это происходит на самом первом этапе в микрофоне, а затем в различных электронных устройствах, которые используются для ослабления нежелательного грохота в среде записи. Больше добавляется в процесс микширования, системы хранения и устройства воспроизведения, которые просто не реагируют на DC.Все они так или иначе фильтруются верхними частотами. Один из самых мощных фазовращателей — аналоговый магнитофон.

Наконец, в конце всего этого находится громкоговоритель, который не может реагировать на постоянный ток и должен быть ограничен в его расширении вниз по частоте. Я не знаю, суммировал ли кто-нибудь все возможные взносы, но он должен быть огромным. Очевидно, то, что мы слышим на низких частотах, до неузнаваемости искажается фазовым сдвигом. В настоящий момент возникает вопрос, сколько из этого вносит низкочастотный динамик / сабвуфер, слышен ли он, и если да, то можно ли что-нибудь с этим поделать? О да, и если да, можем ли мы услышать это через комнату?

Fincham (1985) сообщил, что вклад одного громкоговорителя можно было услышать со специально записанной музыкой и надуманным сигналом, но он был «довольно тонким».Автор слышал эту демонстрацию и может согласиться. Крейвен и Герзон (1992) заявили, что фазовые искажения, вызванные откликом высоких частот, слышны, даже если частота среза снижена до 5 Гц. Говорят, из-за этого бас теряет «плотность» и становится «пушистым». Они говорят, что фазовый эквалайзер баса субъективно расширяет эффективный басовый отклик примерно на половину октавы. Ховард (2006) обсуждает эту работу и заброшенный продукт, который должен был возникнуть из нее. Были разногласия по поводу того, насколько слышимым был эффект.Ховард описывает некоторую собственную работу, измерения и случайный тест на прослушивание. При индивидуальной записи бас-гитары с минимальным внутренним фазовым сдвигом он почувствовал, что есть полезная разница, когда фазовый сдвиг громкоговорителя компенсируется. Ни в одном из этих упражнений не сообщалось о контролируемых двойных слепых тестах на слушание, которые предоставили бы статистический взгляд на то, что может быть слышно, а что нет, и указывалось ли предпочтение того или другого состояния.

Результатом всего этого является то, что даже если программный материал позволяет услышать эффект, существуют расхождения во мнениях.Все это предполагает, что программный материал является нетронутым, что явно не так, и вряд ли это произойдет в обозримом будущем. Также предполагается, что комната для прослушивания является нейтральным фактором, что, как объясняется в главе 8 моей книги, определенно не так. Однако, если удастся сделать так, чтобы эти другие факторы можно было взять под контроль, технология существует, чтобы решить остаточную проблему с громкоговорителями ».

Рисунок 3: Это основной рабочий экран для программного обеспечения rePhase версии 1.4.3 для Windows.
Доктор Вольфганг Клиппель
Слуховые фильтры разделяют сигналы в пределах одной критической ширины полосы (приблизительно 1/3 октавы на более высоких частотах), и следующее обнаружение огибающей чувствительно к любому фазовому сдвигу между компонентами. Это приводит к изменению воспринимаемой шероховатости и колебания. По той же причине амплитудная модуляция (басовый сигнал f1 300 Гц) создает гораздо больше различий, чем фазовая модуляция, также известная как Доплер). По этому поводу ведется очень много экспериментов (например,г., Цвикер). Таким образом, изменение групповой задержки в пределах одной критической ширины полосы является критической точкой (обычно 1-2 мс).

Однако воспринимаемые изменения, используемые по фазе, невелики и мало влияют на качество звука. Влияние амплитуды, вызванное минимально-фазовыми свойствами, является доминирующим. Однако, если у вас многоканальная система (стерео и более), разница фаз в 50 мс изменит звуковой образ (направленность). На рисунке 4 показано резюме моей лекции о качестве звука.

Рисунок 4: Это сводка по слышимости и предпочтениям, взятая из Dr.Лекция Вольфганга Клиппеля о линейном искажении.
Эндрю Джонс
Вопрос сформулирован вокруг концепции фазовой линейности с помощью DSP, но полезно сделать шаг назад и сначала взглянуть на попытки добиться фазовой линейности в пассивных динамиках. Ранние попытки были основаны на идее кроссоверов первого порядка, ошибочно забывая об ограничениях диапазона самих драйверов. Более поздняя работа поняла, что общий ответ должен быть первого порядка, а это означало, что драйверы должны были иметь исключительную полосу пропускания, чтобы общие ответы могли складываться правильно без межблочных фазовых ошибок.Этот подход был объединен с акустическим выравниванием центра с использованием либо наклонных перегородок, либо ступенчатых перегородок. Дальнейшая работа привела к созданию асимметричных кроссоверов более высокого порядка или кроссоверов с усиленной задержкой, но их было трудно реализовать пассивно.

Один интригующий подход был предложен Bang & Olufsen (B&O), концепция «драйвера наполнителя». По сути, это был обычный двухполосный динамик с драйвером-заполнителем, который исправлял фазовую ошибку. Гениально, но так же несовершенно, как и другие подходы.Почему ошибочный? Потому что все реализации фазовых линейных громкоговорителей, кроме тех, которые используют концентрические драйверы, достигают своей фазовой линейности только на одной оси. Каждый другой угол, как горизонтальный, так и вертикальный, должен вносить дополнительную дифференциальную задержку и, таким образом, устранять фазовую когерентность.

Дополнительными ограничениями являются широкая полоса пропускания, требуемая от драйверов, вызывающая проблемы с мощностью и линейностью, и широкое перекрытие в точке кроссовера, приводящее к большим отклонениям амплитудной характеристики вне оси и плохой характеристике мощности.

Так дает ли какая-либо из этих реализаций лучший звук? Это практически невозможно определить и связать с ограниченной линейностью фазы. Можно утверждать, что большинство аспектов, которые, как было установлено, должны привести к улучшению характеристик громкоговорителей, ухудшились из-за этих мер.

Тем не менее, почти все исследования, посвященные теме линейности фаз, относят любую слышимость к второстепенному или третичному положению в рейтинге воспринимаемого качества звука. Это плохая новость на фоне негативного воздействия на устоявшиеся методы повышения качества звука.Что, если бы мы могли обойти все это с помощью DSP? Что, если бы мы могли спроектировать динамик, удовлетворяющий всем стандартным параметрам, а затем исправить фазовые ошибки с помощью DSP перед системой? Или использовать мощь DSP для разработки улучшенных кроссоверов с лучшими амплитудными и фазовыми характеристиками?

Это то, что обещают с некоторыми новыми динамиками DSP. Однако он никогда не может решить основную проблему несовпадения драйверов, дающих разные фазовые характеристики под разными углами. Также он не может исправить фазовые ошибки без значительной общей задержки.

Джеймс Крофт
Я считаю, что эти типы фазовой коррекции могут иметь ценность, но мой взгляд на то, для чего они подходят, вероятно, отличается от других. Я обнаружил, что слышимые эффекты коррелированной фазовой коррекции (при условии, что до и после фазовой коррекции левый и правый каналы не показывают разности фаз между ними) делятся на две категории:
• Небольшие слышимые различия слышны в безэховых условиях, но не в стандартных, эхогенных средах прослушивания (Примечание редактора: Джеймс Крофт провел тесты на прослушивание динамика с нулевой фазой в безэховой камере, где улучшения были очень, очень незначительными и не слышны при прослушивании. комната.)
• Звуковые различия слышны, если были исправлены большие фазовые ошибки; те, которые больше, чем в большинстве хороших громкоговорителей.

Итак, я обнаружил, что лучше всего использовать эти меры фазовой коррекции не столько для улучшения стандартных громкоговорителей, сколько для обеспечения инструмента для улучшения характеристик в других, более слышимых категориях. Мои две основные категории:
1) Для исправления фазовой характеристики с целью исправления аномалий амплитуды при наличии фазовых ошибок, вызывающих аномалии амплитуды
2) И, что, вероятно, более важно, чтобы разрешить фазовую коррекцию систем, которые «специально» спроектированы так, чтобы иметь большие фазовые ошибки в обмен на некоторый другой выигрыш в производительности (например.g., улучшенная способность к большому сигналу).

Одним из примеров категории 2, которая оказалась значимой, была работа с нарезанными рогами. Если вы сконструируете двухканальный рупор, в котором один из регулируемых рупоров был настроен на 20 Гц, а второй регулируемый рупор был настроен примерно на 26 Гц, вызывая минимум отклонения во втором прослушиваемом рупоре, где первый прослушиваемый рупор имел максимум отклонения. Если вы запустите их параллельно, и эквалайзер формирует отклик каждого, чтобы использовать преимущество сохранения их перегрузки X-max до минимума, вы можете «потенциально» значительно увеличить общую производительность системы при том же размере драйвера и объеме корпуса.Я говорю «потенциально», потому что их выход скомпрометирован резкими фазовыми изменениями вокруг двух частот настройки, так что системы частично компенсируют друг друга, а не складываются.

Однако с фазовой коррекцией две системы могут быть синхронизированы друг с другом и демонстрировать все преимущества большой амплитуды сигнала от нулевого фазового дифференциала и полного суммирования амплитуд. Таким образом, в этом случае преимущество не имеет ничего общего с улучшением фазовых ошибок с целью «качества» звука, но вместо этого используется улучшенная фазовая коррекция для улучшения «количества звука».”

Система просто подверглась фазовой коррекции в качестве вторичного эффекта, но этот аспект улучшения будет явно незначительным. Но большое улучшение сигнала составляет примерно 7 дБ. Я возьму на себя это напряжение, чтобы услышать изменение фазы в любой день!

Я обнаружил тот же эффект при объединении одиночного настроенного полосового динамика четвертого порядка параллельно с двойным настроенным полосовым низкочастотным динамиком шестого порядка и интеграции их в гибридную систему. Без фазовой коррекции на самом деле происходит потеря амплитуды, но с фазовой коррекцией можно добиться увеличения мощности большого сигнала от 5 до 8 дБ.Есть и другие примеры, но это способы, которыми этот тип фазовой коррекции может иметь «реальные» выгоды.

Заключение
Как вы можете догадаться из этих замечаний, все в значительной степени на одной странице. Фаза просто не так слышна, даже если она не изменена или отображается в нулевом градусе. Нулевая фаза может привести к очень незначительным улучшениям, если вы слушаете в безэховой среде, но любые незначительные улучшения, которые вы, возможно, услышали, теряются в среде прослушивания, где фаза рассеивается отражениями от комнаты.

Как указал Крофт, есть законные применения нулевой фазы, которые обеспечивают существенные преимущества, например, в случае устройства коррекции помещения Trinnov, которое можно найти в студиях звукозаписи, кинотеатрах, домашних кинотеатрах и высококачественных двухканальных домашних приложениях. Однако Trinnov вызывает нулевую фазу в помещении, что помогает суммировать несколько громкоговорителей в пространстве для прослушивания. Однако это сильно отличается от приукрашивания нулевой фазы безэховой характеристики громкоговорителя. VC

Ресурсы
Ф. Э. Тул, Воспроизведение звука: акустика и психоакустика громкоговорителей и комнат, Routledge, 2017.

Эта статья была первоначально опубликована в Voice Coil, октябрь 2019 г.

Справка FabFilter Pro-Q 3 — режим обработки

Кнопка режима обработки на нижней панели выбирает тип обработки эквалайзера. Почти во всех случаях, режимы с нулевой задержкой или естественной фазой дадут идеальные результаты, а когда требуется линейно-фазовая обработка, вы, конечно, можете использовать режим Linear Phase с настраиваемой разрешающая способность.

Нулевая задержка

В режиме с нулевой задержкой Pro-Q точно соответствует амплитуде аналогового эквалайзера. возможно, очевидно, без каких-либо задержек. Это самая эффективная обработка Pro-Q режим, и абсолютно достаточен для большинства приложений.

Естественная фаза

Уникальный режим естественной фазы

Pro-Q работает еще лучше. Он не только идеально сочетается амплитудная характеристика аналогового эквалайзера, но также близко соответствует аналоговой фазовой характеристике.Так что обеспечивает наиболее точную частотную характеристику и лучшее качество звука даже при самых низких частоты и самые высокие настройки Q, без заметного предварительного звонка или большой задержки.

Чтобы проиллюстрировать разницу между двумя режимами, мы построили график амплитуды и фазы отклик фильтра Белла на частоте 15 кГц, и мы также сравнили его со стандартным цифровым эквалайзером, как и большинство DAW, встроенных в заводские плагины эквалайзера.

красная кривая показывает амплитуду отклика стандартного цифрового эквалайзера, который действительно далеко не идеально.Синяя кривая — это отклик в режиме нулевой задержки Pro-Q, который почти идеальный, за исключением небольшого отклонения выше 18 кГц. Зеленая линия показывает Pro-Q Режим естественной фазы: соответствует теоретической аналоговой амплитудной характеристике. именно так!

А теперь фазовая характеристика. Опять же, красная кривая представляет стандартный цифровой эквалайзер, а синяя Кривой Pro-Q режим нулевой задержки: оба имеют неидеальную фазовую характеристику. Зеленая линия иллюстрирует реакцию Pro-Q в режиме естественной фазы.Помимо очень маленького, неслышного отклонение выше 20 кГц, это идеально соответствует теоретической аналоговой фазовой характеристике.

Линейная фаза

При фильтрации звука традиционные аналоговые и цифровые фильтры не только меняют величину, но также внесите фазовые изменения. Что происходит, так это то, что фазы разных частот в сигнал меняется по-разному. Это может иметь слышимый эффект на звук, но не обязательно в плохом смысле.В большинстве случаев, например, для простого колоколообразного или полочного фильтра, фазовые эффекты очень тонкие и едва заметные. Однако для фильтров более высокого порядка, таких как крутой Фильтры низких или высоких частот, эффект может стать очевидным, когда начнется фазовое искажение для воздействия на переходные процессы и может сделать звук менее прозрачным.

Более того, проблемы возникают, когда вы смешиваете отфильтрованный и измененный по фазе сигнал с другим подобным сигнал, который не был отфильтрован или отфильтрован другим способом.В этом случае это очень вероятно, что разные фазовые компоненты обоих сигналов не будут совпадать должным образом и в какой-то степени отменят друг друга. Такая ситуация может возникнуть, например, при мастеринге. это довольно часто применяют эквалайзер только к части песни, используя кроссфейды в начале и конец пораженной области. Поскольку информация о фазе в исходной и отфильтрованной частях отличается, фейды не будут работать должным образом.

Линейно-фазовая обработка дает ответ на эти проблемы.Только линейно-фазовые фильтры меняются амплитуда звука, оставляя фазу нетронутой. Однако линейно-фазовые фильтры также есть недостатки. Прежде всего, они вводят задержку: весь сигнал задерживается, когда проходя через плагин. Более высокое разрешение обработки (для лучшего отклика при низком частот), приводит к более длительной задержке, но, к сожалению, это также может привести к предварительному вызову которые могут сделать переходные процессы (например, ударный барабан) потерять свою остроту.

Когда выбрана обработка линейной фазы, становится доступной кнопка Разрешение обработки. Выбор правильного разрешения — это компромисс, зависящий от программного материала и вашего личное предпочтение. Доступны следующие разрешения:

• Low обеспечивает линейно-фазовую обработку с минимальной задержкой. Используйте только с при низких настройках добротности или при изменении только средней-высокой части спектра. С частотой дискретизации 44.1 кГц, общая задержка составляет 3072 выборки (около 70 мс).
• Medium — хороший компромисс между низкочастотным разрешением и задержкой и мы рекомендуем использовать это в целом для линейно-фазовой обработки. Общая задержка 5120 выборки с частотой дискретизации 44,1 кГц (около 116 мс).
• High дает отличное низкочастотное разрешение. Если вам нужно использовать высокий Q настройки при изменении нижнего диапазона спектра, используйте этот режим.Общая задержка — 9216 выборки с частотой дискретизации 44,1 кГц (около 209 мс).
• Very High дает еще лучшее разрешение на низких частотах. Общая задержка составляет 17408 отсчетов с частотой дискретизации 44,1 кГц (около 395 мс).
• Максимум дает очень высокое низкочастотное разрешение за счет очень большая задержка и возможные проблемы с предварительным эхом. Общая задержка здесь составляет 66560 сэмплов при частота дискретизации 44.1 кГц (около 1509 мс).

Примечание: при одновременном использовании диапазонов, специфичных для L / R и для M / S, линейная фаза обработка будет выполняться в два отдельных этапа: сначала этап L / R, затем этап M / S. Быть в курсе, что это удвоит задержку.

Изменение частот полосы эквалайзера в режиме линейной фазы звучит так же плавно, как и при при использовании других режимов никаких эффектов застежки-молнии. Это может показаться банальным, но на самом деле совершенно уникален в линейно-фазовой обработке!

Выбор подходящего режима обработки

Как уже объяснялось, почти во всех обычных ситуациях микширования и мастеринга режим с нулевой задержкой или режим Natural Phase (с его еще большей точностью и фазовой характеристикой) будет лучшим выбором.Важно понимать, что линейно-фазовая обработка не лучше и прозрачнее, чем нормальная обработка, она другая! Линейно-фазовый эквалайзер — это инструмент для решения проблем, в общем используется только во избежание проблем с отменой фазы.Чтобы узнать о режиме линейной фазы по сравнению с нормальным EQ’ing, посмотрите отличный видеоурок Дэна Уорролла по этой теме: www.fabfilter.com/video/eq-linear-phase-vs-minimum-phase.

Банкноты

• Dynamic EQing также работает в режиме линейной фазы, но только для настроек разрешения обработки до «High».См. Dynamic EQ.
• При работе с разными частотами дискретизации задержка в выборках различных линейно-фазовые режимы могут меняться, чтобы дать вам примерно такое же низкочастотное разрешение (и та же задержка в мс).
• Благодаря усовершенствованной конструкции Pro-Q 3 загрузка ЦП очень мала, даже при использовании до 24 эквалайзеров. полосы, и это не сильно меняется при разных режимах линейно-фазовой обработки.

---

Next: Анализатор спектра

См. Также
Обзор
Дисплей и рабочий процесс

Вход, спуск и посадка (EDL)

Вход, спуск и посадка — часто называемый EDL — это самый короткий и самый напряженный этап миссии Mars 2020.Он начинается, когда космический корабль достигает верха марсианской атмосферы, путешествуя почти 12 500 миль в час (20 000 километров в час). Он заканчивается примерно через семь минут, когда «Персеверанс» стоит на поверхности Марса. Чтобы безопасно снизить скорость до нуля за такой короткий промежуток времени, поразив узкую цель на поверхности, необходимо «резко нажать на тормоза» очень осторожным, творческим и сложным образом.

Опыт входа, спуска и посадки

Посадка на Марс сложна.Только около 40 процентов миссий, когда-либо отправляемых на Марс любым космическим агентством, были успешными. Сотни вещей должны быть выполнены прямо во время этого резкого падения. Более того, настойчивость должна справляться со всем сама. Во время посадки требуется более 11 минут, чтобы получить обратный радиосигнал с Марса, поэтому к тому времени, когда команда миссии слышит, что космический корабль вошел в атмосферу, на самом деле марсоход уже находится на земле. Итак, Perseverance предназначена для автономного завершения всего процесса EDL.

Профиль входа, спуска и посадки марсохода Perseverance : На этой иллюстрации показаны события, которые происходят в последние минуты почти семимесячного путешествия марсохода NASA Perseverance на Марс. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех. Скачать изображение ›| Метрическая версия ›

Как выглядит посадка

Заключительная подготовка

За десять минут до входа в атмосферу космический корабль закрывает крейсерскую ступень, в которой находятся солнечные батареи, радиоприемники и топливные баки, используемые во время полета к Марсу.Только защитный аэрозольный снаряд — с марсоходом и спускаемой площадкой внутри — совершает выход на поверхность. Перед тем, как войти в атмосферу, транспортное средство запускает небольшие двигатели на задней части корпуса, чтобы переориентировать себя и убедиться, что тепловой экран направлен вперед, что будет дальше.

Вход в атмосферу

Когда космический корабль входит в атмосферу Марса, возникающее сопротивление резко замедляет его, но эти силы также резко нагревают его. Пиковый нагрев происходит примерно через 80 секунд после входа в атмосферу, когда температура на внешней поверхности теплового экрана достигает около 2370 градусов по Фаренгейту (около 1300 градусов по Цельсию).Однако безопасный в аэрозольной оболочке марсоход нагревается примерно до комнатной температуры.

Марсоход Perseverance замедляется в марсианской атмосфере (иллюстрация) : На этой иллюстрации своего спуска на Марс космический корабль с марсоходом NASA Perseverance замедляется за счет сопротивления, создаваемого его движением в марсианской атмосфере. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех. Полное изображение и подпись ›

Когда космический корабль начинает спускаться в атмосфере, он встречает более или менее плотные воздушные карманы, которые могут сбить его с курса.Чтобы компенсировать это, он запускает небольшие подруливающие устройства на своей задней части, которые регулируют его угол и направление подъема. Этот метод «управляемого входа» помогает космическому кораблю оставаться на пути к цели, находящейся ниже по дальности.

Развертывание с парашютом

Тепловой экран замедляет космический корабль до скорости менее 1000 миль в час (1600 километров в час). В этот момент можно безопасно развернуть сверхзвуковой парашют. Чтобы определить время этого критического события, Perseverance использует новую технологию — Range Trigger — для расчета своего расстояния до приземляющейся цели и раскрытия парашюта в идеальное время, чтобы поразить цель.

Испытание парашюта настойчивости : огромный сверхзвуковой парашют для миссии «Марс 2020» проходит испытания в самой большой в мире аэродинамической трубе в Исследовательском центре Эймса НАСА. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех / Эймс. Полное изображение и подпись ›

Парашют диаметром 70,5 футов (21,5 метра) раскрывается примерно через 240 секунд после входа на высоту около 7 миль (11 километров) и со скоростью около 940 миль в час (1512 км / ч).

Пристрелка при приземлении

Через двадцать секунд после раскрытия парашюта тепловой экран отделяется и падает.Марсоход впервые попадает в атмосферу Марса, и основные камеры и инструменты могут начать фиксироваться на быстро приближающейся поверхности внизу. Его посадочный радар отражает сигналы от поверхности, чтобы определить ее высоту. Тем временем срабатывает еще одна новая технология EDL — Terrain-Relative Navigation.

Используя специальную камеру для быстрого определения объектов на поверхности, марсоход сравнивает их с бортовой картой, чтобы точно определить, куда он направляется. Члены команды миссии заранее нанесли на карту самые безопасные районы зоны приземления.Если настойчивость может сказать, что движется по более опасной местности, она выбирает самое безопасное место, куда может добраться, и готовится к следующему важному шагу.

Механический спуск

В тонкой марсианской атмосфере парашют способен замедлить транспортное средство только до 200 миль в час (320 километров в час). Чтобы достичь безопасной скорости приземления, Perseverance должна освободиться от парашюта и проехать остаток пути с помощью ракет.

Прямо над марсоходом, внутри кожуха, находится спускаемая ступень с ракетным двигателем.Думайте об этом как о реактивном ранце с восемью двигателями, направленными в землю. Когда марсоход поднимается над поверхностью на высоте примерно 6900 футов (2100 метров), он отделяется от корпуса и запускает двигатели ступени спуска.

Powered Descent for Perseverance (Иллюстрация) : Марсоход НАСА Perseverance запускает двигатели спускаемой ступени, когда он приближается к поверхности Марса на этой иллюстрации. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех. Полное изображение и подпись ›

Спускаемая ступень быстро отклоняется в одну или другую сторону, чтобы избежать удара парашютом и спусковым кожухом, падающим за ним.Направление его маневра отклонения определяется безопасной целью, выбранной компьютером, который запускает навигацию по местности.

Маневр Skycrane

По мере того, как ступень спуска выравнивается и замедляется до конечной скорости спуска около 1,7 мили в час (2,7 километра в час), она инициирует маневр «небесный кран». Примерно за 12 секунд до приземления, на высоте около 66 футов (20 метров) над поверхностью, ступень спуска опускает марсоход на наборе тросов примерно на 21 фут (6.4 метра) в длину. Тем временем марсоход отключает свою систему мобильности, фиксируя ноги и колеса в положении для приземления.

Как только марсоход чувствует, что его колеса коснулись земли, он быстро перерезает кабели, соединяющие его со ступенью спуска. Это позволяет спускаемой ступени улететь и совершить неконтролируемое приземление на поверхность на безопасном расстоянии от Perseverance.

Сохранить дату

Известный командой как «Семь минут ужаса», вход, спуск и посадка для упорства будут транслироваться в прямом эфире, когда марсоход прибудет на Марс в феврале.18, 2021.

Анализаторы спектра и сигналов | Rohde & Schwarz

Фазовый шум сигнала означает короткие, быстрые колебания частоты, которые видны на экране анализатора спектра как размытие или дрожание формы сигнала на дисплее. Фазовый шум распространяет мощность сигнала на соседние частоты, что приводит к появлению шумовых боковых полос, ослаблению полезной мощности сигнала и снижению качества сигнала. Слабый сигнал может исчезнуть в фазовом шуме сильного соседнего сигнала.

Фазовый шум в частотной области соответствует джиттеру во временной области; Колебание частоты также является отклонением фронта сигнала во времени.

Причиной фазового шума (и джиттера) являются нарушения в работе генератора, синхронизирующего форму волны.

Идеальный генератор генерирует чистую синусоидальную волну; вся мощность сигнала находится на одной частоте. Однако все реальные генераторы имеют нестабильности, вызывающие фазомодулированные составляющие шума.Компоненты фазового шума распространяют мощность сигнала на соседние частоты. Фазовый шум генератора часто включает низкочастотный фликкер-шум и может включать белый шум. Фазовый шум описывает стабильность генератора в частотной области, а джиттер описывает стабильность во временной области.

Фазовый шум можно измерить с помощью анализатора спектра, если фазовый шум тестируемого устройства велик по сравнению с фазовым шумом гетеродина в гетеродине анализатора спектра.

Собственный фазовый шум анализатора спектра ограничивает возможность выполнения измерений фазового шума и влияет на измерения величины вектора ошибки (EVM) для сигналов с цифровой модуляцией, особенно для узкополосных сигналов.

Некоторые анализаторы спектра предлагают дополнительные генераторы с более высокой точностью за дополнительную плату для повышения чувствительности измерений фазового шума.

CAPEX по сравнению с OPEX: в чем разница?

CAPEX vs.OPEX: обзор

Предприятия несут самые разные расходы: от арендной платы, которую они платят за свои фабрики или офисы, до стоимости сырья для своей продукции, заработной платы, которую они платят своим работникам, и общих затрат на развитие своего бизнеса. Чтобы упростить все эти расходы, предприятия систематизируют их по разным категориям. Двумя наиболее распространенными являются капитальные затраты (CAPEX) и операционные расходы (OPEX).

Капитальные затраты (CAPEX) — это крупные покупки, совершаемые компанией, которые предназначены для использования в долгосрочной перспективе.Операционные расходы (OPEX) — это повседневные расходы, которые компания несет для поддержания своей деятельности.

Ключевые выводы

• Капитальные затраты (CAPEX) — это основные долгосрочные расходы компании, а операционные расходы (OPEX) — это повседневные расходы компании.
• Примеры CAPEX включают физические активы, такие как здания, оборудование, машины и транспортные средства.
• Примеры OPEX включают заработную плату сотрудников, аренду, коммунальные услуги, налоги на имущество и стоимость проданных товаров (COGS).
• Капитальные затраты не могут быть вычтены из прибыли для целей налогообложения, в то время как операционные расходы могут быть вычтены из налогов.

CAPEX

Капитальные затраты — это покупка значительных товаров или услуг, которые будут использоваться для улучшения результатов деятельности компании в будущем. Капитальные затраты обычно относятся к основным средствам, таким как основные средства. Например, если нефтяная компания покупает новую буровую установку, сделка будет связана с капитальными расходами.

Одна из определяющих характеристик капитальных затрат — долговечность; это означает, что покупки приносят пользу компании более одного налогового года.

CAPEX представляет собой расходы компании на физические активы. Ниже приведены распространенные примеры капитальных затрат:

• Производственные предприятия, оборудование и машины
• Улучшения зданий
• Компьютеры
• Транспортные средства и грузовики

В каждой отрасли могут быть разные типы капитальных затрат.Приобретенный объект может быть предназначен для расширения бизнеса, обновления старого оборудования или увеличения срока полезного использования существующих основных средств. Капитальные затраты указаны в балансе в разделе «Основные средства». Капитальные затраты также указаны в разделе инвестиционной деятельности отчета о движении денежных средств.

Основные средства амортизируются с течением времени, чтобы распределить стоимость актива в течение срока его полезного использования. Амортизация полезна для капитальных вложений, поскольку позволяет компании избежать значительного снижения ее чистой прибыли в год приобретения актива.

CAPEX может финансироваться из внешних источников, что обычно осуществляется за счет залогового или долгового финансирования. Компании выпускают облигации, берут ссуды или используют другие долговые инструменты для увеличения своих капитальных вложений. Акционеры, получающие дивиденды, внимательно следят за показателями капитальных затрат и ищут компанию, которая выплачивает доход, продолжая улучшать перспективы будущей прибыли.

OPEX

Операционные расходы — это расходы, которые компания несет в связи с повседневной деятельностью.Эти расходы должны быть обычными и обычными расходами для отрасли, в которой работает компания. Компании сообщают OPEX в своих отчетах о прибылях и убытках и могут вычесть OPEX из своих налогов за год, в котором были понесены расходы.

Ниже приведены распространенные примеры операционных расходов:

OPEX также состоит из расходов на исследования и разработки (R&D) и себестоимости проданных товаров (COGS). Операционные расходы возникают в результате обычных хозяйственных операций. Цель любой компании — максимизировать выпуск по сравнению с OPEX.Таким образом, OPEX представляет собой основной показатель эффективности компании с течением времени.

Ключевые отличия

Капитальные затраты — это крупные покупки, которые будут использоваться после окончания текущего отчетного периода, в котором они были приобретены. Операционные расходы представляют собой повседневные расходы, предназначенные для поддержания работы компании. Из-за различных атрибутов каждый обрабатывается по-своему.

OPEX — это краткосрочные расходы, которые обычно используются в том отчетном периоде, в котором они были приобретены.Это означает, что им платят еженедельно, ежемесячно или ежегодно. Капитальные затраты оплачиваются сразу сразу. Возврат капитальных затрат занимает больше времени для реализации, например, оборудования для нового проекта, тогда как окупаемость операционных затрат намного короче, например, работа, которую сотрудник выполняет ежедневно для получения своей заработной платы.

Если компания решает взять оборудование в аренду вместо того, чтобы покупать его в качестве капитальных затрат, стоимость аренды будет классифицироваться как операционные расходы.

Сверхпроводимость в системе графена выдерживает сильное магнитное поле

Квантовые фазы вещества, известные как сверхпроводники, передают электрический ток с нулевым сопротивлением.Микроскопически это явление возникает из-за того, что для электронов энергетически выгодно связываться в двухэлектронные состояния, названные куперовскими парами, которые движутся коллективно и кооперативно без потери энергии. Куперовская пара называется спин-синглетной, если два ее электронных спина (собственные угловые моменты) направлены в противоположных направлениях и пара имеет полный спин, равный нулю, тогда как спин-триплетные куперовские пары имеют общий спин 1, а два электронные спины могут быть ориентированы в одном направлении.Большинство экспериментально известных сверхпроводников имеют спин-синглетные куперовские пары; к ним относятся металлы (такие как свинец и ниобий), которые демонстрируют обычную сверхпроводимость, и купраты (соединения слоистого оксида меди), которые демонстрируют нетрадиционную сверхпроводимость. Написано в Nature , Cao et al. ¹ сообщают о свидетельствах нетрадиционной сверхпроводимости, связанной со спин-триплетными куперовскими парами.

Двумерные спин-триплетные сверхпроводники привлекли всеобщее внимание, потому что предсказано, что многие из них содержат экзотические возбуждения с нулевой энергией, называемые нулевыми модами Майорана.Хорошо изученным примером такого сверхпроводника является двумерный хиральный сверхпроводник p с волнами ² . Эта система нарушает симметрию обращения времени (ее физические свойства изменились бы, если бы направление времени было изменено на противоположное), и ожидается, что нулевые моды Майораны будут существовать в ядрах вихрей (нитях магнитного потока), когда магнитное поле прикладывается перпендикулярно к магнитному потоку. система. Нулевые режимы Майораны являются многообещающими кандидатами на роль топологических кубитов — строительных блоков типа «отказоустойчивых» квантовых вычислений, известных как топологические квантовые вычисления ^{3 , 4} .Поэтому, учитывая, что большинство известных спин-триплетных сверхпроводников являются трехмерными, экспериментально установленные двумерные спин-триплетные сверхпроводники весьма желательны.

За последние четыре года экспериментаторы начали исследовать квазидвумерные системы, состоящие из уложенных друг на друга, но слегка смещенных друг от друга слоев графена — отдельных листов гексагонально расположенных атомов углерода (см., Например, ссылки 5 и 6). Такие системы быстро привлекли внимание, потому что они могут быть легко настроены экспериментально и содержат большое количество коррелированных квантовых фаз.Ранее в этом году сообщалось о сверхпроводимости в скрученном трехслойном графене ^{7 , 8} , который состоит из трех уложенных друг на друга слоев графена, в которых верхний и нижний слои повернуты на углы θ и — θ соответственно. относительно среднего слоя (рис. 1). Настраивая значение θ , можно исследовать физику скрученного трехслойного графена в различных режимах — от режима, в котором электроны по существу слабо связаны друг с другом, до режима, в котором они сильно связаны.

Рисунок 1 | Сверхпроводимость в скрученном трехслойном графене. a , Трехслойный графен, скрученный под магическим углом (MATTG), представляет собой систему из трех листов шестиугольных атомов углерода, уложенных друг на друга с относительным углом поворота θ примерно 1,6 °. b , Сверхпроводимость возникает в результате связывания электронов в двухэлектронные состояния, называемые куперовскими парами. В спин-синглетной куперовской паре спины электронов (собственные угловые моменты) направлены в противоположные стороны; в куперовской паре спин-триплет они могут быть ориентированы в одном направлении. c , При наличии сильного магнитного поля в плоскости материала спиново-синглетная куперовская пара распадается, потому что явление, известное как эффект Зеемана, заставляет спины выравниваться в одном направлении. Напротив, куперовская пара спин-триплет может выжить в таком поле. Cao et al. ¹ обнаружили, что сверхпроводимость в MATTG сохраняется под действием сильного магнитного поля в плоскости, и предположили, что это наблюдение является доказательством спин-триплетных куперовских пар.

Cao et al. исследовал скрученный трехслойный графен, когда θ равно «магическому» углу примерно 1,6 ° — углу, при котором система, как ожидается, войдет в режим сильной связи. Они наблюдали сверхпроводимость в таком закрученном под магическим углом трехслойном графене (MATTG) и исследовали спиновые свойства этой сверхпроводимости. В частности, они измерили электрическое сопротивление MATTG при низких температурах (ниже 1 кельвина) и обнаружили фазу с нулевым сопротивлением. Затем они приложили магнитное поле к MATTG в плоскости слоев графена и определили критическую напряженность поля, при которой наблюдаемая сверхпроводимость исчезает.Они обнаружили, что сверхпроводимость выживает до удивительно высокой критической напряженности поля около 10 тесла, что не ожидается для спин-синглетных сверхпроводников.

Магнитные поля связаны с орбитальным угловым моментом и спином куперовских пар в сверхпроводнике. Когда к квази-2D сверхпроводнику приложено сильное плоское поле, орбитальный эффект незначителен. Однако при превышении напряженности поля, называемого пределом Паули, спиновый эффект имеет тенденцию вызывать разрушение спин-синглетных куперовских пар, которые имеют противоположно ориентированные электронные спины, потому что явление, известное как эффект Зеемана, заставляет спины указывать в одном направлении. направление (рис.1). Напротив, спин-триплетные куперовские пары, у которых электронные спины выровнены в одном направлении, параллельном полю, совместимы с таким эффектом спина и не связаны пределом Паули. Критическая напряженность поля в плоскости, измеренная Cao et al. в MATTG в два-три раза превышает предел Паули и поэтому считается доказательством спин-триплетной сверхпроводимости.

Цао и его коллеги также обнаружили вторую сверхпроводящую фазу, которая существует при даже более высоких значениях напряженности магнитного поля в плоскости, чем первая, и сохраняется выше 10 тесла.На основе поведения сопротивления MATTG, когда напряженность поля увеличивается по сравнению с тем, когда она уменьшается, авторы предполагают, что две фазы могут быть связаны с помощью типа фазового перехода, называемого фазовым переходом первого рода. Такая «возвратная» сверхпроводимость напоминает сверхпроводимость, наблюдаемую в некоторых трехмерных спин-триплетных сверхпроводниках, таких как уран-родий-германий ⁹ и теллурид урана ¹⁰ , а также в спин-триплетной сверхтекучей (жидкость с нулевой вязкостью) гелий- 3 ¹¹ .Это сходство может дать намек на природу двух сверхпроводящих фаз в MATTG.

Доказательства, представленные авторами для квазидвумерной спин-триплетной сверхпроводимости в MATTG, открывают путь для нетрадиционных сверхпроводников, с которыми можно манипулировать экспериментально. Высокая напряженность критического поля в плоскости обычно может развиваться по-разному, кроме спин-триплетных куперовских пар. Но эти источники маловероятны в MATTG из-за пренебрежимо малой связи между спином и орбитальным угловым моментом электронов в графене.Тем не менее необходимы дальнейшие измерения, чтобы показать, согласуется ли орбитальная структура куперовских пар в MATTG со спин-триплетной сверхпроводимостью.

Важно отметить, что наличие спин-триплета не означает, что наблюдаемая сверхпроводимость может быть полезна для топологических квантовых вычислений. В будущих работах необходимо изучить топологические свойства сверхпроводимости. Например, исследователи должны определить, нарушает ли это симметрию относительно обращения времени — указание на возможную киральную сверхпроводимость с волнами p .

No related posts.