В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты постоянного и переменного тока. В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают четырехплечие (одинарные) и шестиплечие (двойные). Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.
Для измерений напряжений и ЭДС постоянного и переменного тока применяют компенсаторы постоянного и переменного тока. Они также применяются для измерения других величин при использовании измерительных преобразователей и косвенного способа измерений. Компенсаторы дают возможность получать результаты с высокой точностью, они обладают высокой чувствительностью. Приборостроительная промышленность выпускает компенсаторы, как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.
Измерение параметров на переменном токе. Основными методами измерения параметров R, L, С на переменном токе являются мостовые и резонансные. Мостовые методы измерения являются более точными, но могут использоваться только в ограниченной полосе частот. Существует несколько разновидностей мостовых схем: четырехплечие, шестиплечие (двойные), уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может быть как ручным, так и автоматическим. Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов. Обобщенная структурная схема такого моста показа-па на рис.29, а.
Сопротивления четерехплечего моста в общем случае носят комплексный характер:
(26)
Условия равновесия такого моста будут определяться двумя уравнениями:
(27)
(28)
Для выполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста двух элементов с регулируемыми параметров. Этими параметрами наиболее удобно сделать активные сопротивления. В качестве элемента, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг, используется эталонный конденсатор емкостью С0 с малыми потерями.
Упрощенная структурная схема четырехплечего уравновешенного моста для измерений активных сопротивлений представлена на рис.29, б. Магнитоэлектрический, электронный или цифровой нуль-индикатор (НИ) включается в диагональ моста, ток в которой в момент измерения должен быть установлен равным нулю. Согласно условию (27) равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство RхR4=R2R3,откуда неизвестное сопротивление можно выразить следующей формулой:
(29)
Для достижения равновесия моста достаточно иметь один регулируемый параметр (резистор R4), как показано на рис.29, б.
Рис.29. Структурная схема четырехплечего моста.
Пределы измеряемых сопротивлений для подобных мостов составляют от 10 -2 до 10 7 Ом. Погрешности измерения -- от сотых долей процента до нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения. Наименьшие погрешности лежат в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм. При малых измеряемых сопротивлениях вклад в погрешность измерения вносят сопротивления соединительных проводов, при больших -- сопротивления утечки.
Представленная на рис.29, б схема может быть создана в цифровом варианте. Для этого регулируемый резистор изготавливается в виде набора ряда сопротивлений, выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередно включаются в плечо измерительного моста до тех пор, пока схема не уравновесится. Положение ключей характеризует собой код измеряемой величины, поступающий затем в цифровое отсчетное устройство.
6.3 Измерение индуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь
Наиболее распространенные схемы мостов на переменном токе, измерения индуктивности и добротности катушек представлены рис.30. В них используются источники гармонического тока с амплитудой напряжения U и угловой частотой щ. Эти четырехплечие мосты соответствуют наилучшей сходимости (уравновешивания). Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь отображенных активным сопротивлением.
Рис.30. Схемы мостов для измерения индуктивностей и их добротностей с образцовыми элементами: а - катушкой; б - конденсатором
Условие равновесия для схемы рис.30, а имеет вид
(30)
где Lx и Rx -- измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь в катушке; LQ и R0 -- образцовые индуктивности и сопротивление.
Приравняв отдельно действительные и мнимые члены формулы (30), получим:
LX=L0R2/Ri; RX=R0R2/Rh (31)
Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного тока применяется конденсатор (рис.30, б). Для этой схемы
(32)
Приравняв отдельно в данном уравнении вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров катушки индуктивности:
Lx=C0R2R3; Rx=R2R3/R0. (33)
Добротность катушки
(34)
Для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с малыми потерями применяют мостовую схему, представленную на рис.31, а (последовательное соединение элементов Схи Rx), а с большими потерями -- на рис. 31, б (параллельное соединение элементов Сх и Rx).
Условие равновесия для схемы рис.31, а имеет вид
Рис.31. Схемы мостов для измерения емкости и угла потерь конденсаторов:
а - с малыми потерями; б - с большими потерями.
Разделив здесь вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров конденсатора:
Cx= C3R4 /R2, Rx=R3R2/R4. (35)
Тангенс угла потерь конденсатора
(36)
Для моста с параллельным соединением Сх и Rx (рис. 31, б) условие равновесия имеет вид
(37)
откуда
(38)
Тангенс угла потерь конденсатора при параллельной схеме замещения:
Поскольку условия уравновешивания моста зависят от частоты, мостовые схемы измерения предназначены для работы на одной из определенных частот, например: 50, 100, 1000, 10 000, 100 000 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. Уравновешенные мосты переменного тока обеспечивают погрешность измерения 0,5 до 5%.
6.4 Резонансные методы измерения параметров цепей
При резонансных методах измерений используются физические явления в колебательных контурах и генераторах. Соответственно методы подразделяются на контурные и генераторные. Генераторные методы в настоящее время находят, в силу разных причин, ограниченное применение. Наиболее универсальным прибором для измерения параметров цепей является куметр (от латинской буквы Q -- характеристики добротности катушки индуктивности), в котором основная измерительная цепь -- последовательный колебательный контур.
Упрощенная структурная схема куметра представлена на рис.32. Источником синусоидальных сигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератор тока, нагруженный на малое активное сопротивление R0 ? 0,05 Ом. Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах. Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (по вольтметру VI).
Рис.32. Упрощенная структурная схема куметра
При измерении индуктивности катушку подключают к зажимам 1--2. В этом случае резонансный контур будет образован катушкой измеряемой индуктивности Lx с активными потерями RL и межвитковой емкостью ее проводов СL, а также перестраиваемой эталонной емкостью Сэ. Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением величины емкости Сэ, эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура определяется по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротности Q. Если измерения емкости Сэ произвести на двух резонансных частотах, то их можно вычислить по следующим уравнениям:
(40)
(41)
где Сэ1, и Сэ2 -- известные эталонные емкости при резонансных частотах ?p1 и ?Р2 соответственно.
Пусть соотношение частот ?p1 = K?Р2, где К -- коэффициент -- вещественное число. Тогда совместное решение уравнений (40), (41) дает возможность вычислить ранее неизвестные величины параметров L и CL:
(42)
(43)
С помощью куметра можно также определять неизвестные параметры R, С, tgдc, подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3 -- 4.
Погрешности измерения параметров L, С, tgдc, R куметром лежат в пределах 1...5% в зависимости от используемой схемы.
Причинами появления этих погрешностей могут являться: нестабильность генератора, наличие в контуре постороннего сопротивления R0, неточность шкалы конденсатора эталонной емкости Сэ, погрешности измерительных приборов VI, VI, погрешность считывания показаний.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
