Лекция №1 Общие сведения о метрологии и стандартизации 7 Лекция №2 Измерение напряжения и тока 42

Поскольку условия уравновешивания моста зависят от частоты, то мосто­вые схемы измерения предназначены для работы на одной из определенных частот, например: 50, 400, 1000 Гц.

Уравновешивание схем достигается поочередным регулированием пере­менных образцовых сопротивлений или емкостей. Эта процедура называется шагами, а количество, шагов определяет сходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов. ­

Мосты переменного тока работают на низких частотах 500...5000 Гц. При работе на повышенных частотах погрешности измерения резко возрастают. Мосты переменного тока больше чем мосты постоянного тока подвержены влиянию помех и паразитных связей между плечами, плечами и землей, мостом и оператором. Поэтому, даже при тщательном экранировании моста и принятии других мер защиты, по­грешности мостов переменного тока больше, чем погрешности мостов постоянного тока. Выпускаемые отечественной промышленностью уравновешенные мосты переменного тока обеспечивают погрешность измерения от 0,5 до 5%.

Мостовые измерители индуктивностей, емкостей и сопротивлений имеют ряд идентичных элементов. Поэтому они могут совмещаться в одном комбинированном приборе – универсальном измерительном мосте (рис. 6.6).

Рисунок 6.6 – Схема универсального измерительного моста

типа Е7-4
От блока питания получают переменное напряжение частотой 100 и 1000 Гц и постоянное регулируемое напряжение, что позволяет изменять чувствительность моста. На постоянном токе используется магнитоэлектрический прибор, а на переменном – детекторный вольтметр. Четырехплечий мост соответствующим образом коммутируется для измерения различных параметров цепи. Такими примерно параметрами также обладает универсальный измерительный мост типа Е7-11.

Диапазоны измерения:

- сопротивления постоянному току 0,1…10 кОм, переменному 0,1 Ом …10 Мом;

- индуктивности 10 мкГн … 100 Гн;

- емкостей 10^-5…10 мкФ;

- угла потерь конденсаторов 0,005…0,1;

- добротности катушек индуктивности 1…30.

Как уже отмечалось ранее любые параметры цепи можно также измерять косвенными методами (метод вольтметра-амперметра и резонансный метод). Рассмотрим сначала метод вольтметра-амперметра. Он основывается на применении закона Ома и применяется для измерений, как на постоянном токе, так и на переменном токе.

На рис. 6.7 представлены схемы измерения активных сопротивлений на постоянном токе методом вольтметра-амперметра. Для измерения достаточно больших сопротивлений (1 Ом … 200 Мом) применяют схему с амперметром (рис 6.7-а), при котором отклонение показаний миллиамперметра пропорциональному току:
(6.14)
Перед измерениями зажимы х замыкают ключом К и переменным резистором R_доб устанавливают такой ток, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, что соответствует точке 0 Ом.

Рисунок 6.7 – Схемы измерения активных сопротивлений:

а) – амперметром; б) – вольтметром
Для измерения небольших сопротивлений (0,01…100 Ом) используется схема с вольтметром (рис. 6.7-б). Показания вольтметра определяются формулой:
, при R_доб>>R_x, U ER_x/R_доб (6.15)
Перед измерением стрелку на приборе совмещают с отметкой при разомкнутых зажимах х.

В обеих схемах присутствует методическая погрешность измерения, которая зависит от внутренних сопротивлений приборов: при схеме с амперметром она меньше чем меньше внутреннее сопротивление прибора; в схеме с вольтметром она меньше, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Рассмотренные методы измерения активных сопротивлений используются в малогабаритных комбинированных приборах – тестерах.

Схема измерения индуктивности методом вольтметра-амперметра представлена на рис. 6.8-а. Измерив ток в катушке и напряжение на ее зажимах, можно определить модуль ее полного сопротивления. Пренебрегая сопротивлением катушки и зная значение частоты сигнала , можно определить индуктивность по формуле:
(6.16)
Используя аналогичную схему (рис. 6.8-а) для конденсатора и пренебрегая влиянием сопротивления утечки, можно определить емкость конденсатора по формуле:
(6.17)

Рисунок 6.8 – Схемы измерения методом вольтметра-амперметра: а) - индуктивности и емкости;

б) - взаимной индуктивности

Схема измерения взаимной индуктивности методом вольтметра-амперметра представлена на рис. 6.8-б. Определив ток I₁ амперметром, а значение E₂ вольтметром (с большим входным сопротивлением), взаимную индуктивность находят по формуле:
(6.18)
Примечание: частота, на которой проводят измерения, должна быть значительно ниже той, на которой могут проявляться резонансные свойства цепи, т.к. это может привести к значительной погрешности измерений.

Рассмотрим еще один из косвенных методов измерения параметров цепей – это резонансный метод. Здесь используется физическое явление - резонанс в колебательном контуре или генераторе. На рис. 6.9 представлена функциональная схема прибора типа Е7-5 , основанный на явлении резонанса в генераторе. Этот прибор является универсальным (используется для измерения емкости и индуктивности катушки).

Погрешность определяется неточностью сравнения частот и градуировки образцового конденсатора и составляет 0,4…0,05 пФ в диапазоне 1…5000 пФ.

Еще одним из универсальных приборов для измерения параметров цепи является куметр, который также основывается на резонансном методе. На рис. 6.10 представлена схема куметра типа Е4-7.

Рисунок 6.10 – Схема куметра типа Е4-7
Высокочастотный генератор G снабжен градуированной шкалой для установки частоты. Выходное напряжение генератора регулируется и измеряется электронным вольтметром PV1. Через емкостный делитель C1C2 часть напряжения генератора вводится в измерительный контур, который состоит из образцового конденсатора переменной емкости C_обр и катушки L. Индикатором резонанса служит электронный вольтметр PV2, измеряющий напряжение на конденсаторе. В момент резонанса U₂=QE, и если поддерживать значение Е строго определенным и условно принять за единицу, то вольтметр PV2 можно проградуировать непосредственно в единицах добротности. Конденсатор делителя С2 имеет емкость, много большую, чем С1, и не оказывает влияния на резонансные свойства контура.

Основным источником погрешности являются неточности настройки в резонанс, неточность отсчитывания по шкалам значений частоты, емкости и добротности, неточность установки уровня входного напряжения, все это приводит к значению погрешности 6…11%.

Собственная емкость катушек индуктивности, измеренной при помощи куметра, рассчитывается по формуле:
C_L=(C_обр1 – 4C_обр2)/3 (6.19)
В настоящее время в практике измерений все больше используют цифровые приборы, которые отличаются простотой эксплуатации, универсальностью и т.д. Для измерения параметров цепей используются цифровые приборы двух типов:

1. 
   цифровой измеритель параметров цепей, реализующий метод дискретного счета;
   
2. 
   цифровой мост постоянного тока уравновешивающего типа.