книги / Технические измерения и приборы

Когда ключ Кл1 переключится в положение 2 (момент t3), на вход интегратора будет подаваться опорное напряжение uоп с полярностью, противоположной ux (определяется положением ключа Кл3). Начинается второй такт работы прибора, когда напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться от значения +u’1 до нуля (момент t4). Момент uинт = 0 определяет устройство сравнения, которое выдает импульс в устройство управления. Устройство управления снимает сигнал со схемы «И», и импульсы с генератора опорной частоты на счетчик не подаются. Число импульсов Nx, подсчитанное счетчиком в интервале Tx = t4 – t3, пропорционально ux. Оно фиксируется в запоминающем устройстве и индицируется на цифровом индикаторе до прихода следующего импульса запуска.

На рис. 4.22 показано, как изменяются напряжение на интеграторе и временной интервал Tx для различных значений ux – положительного u1 (толстая линия), отрицательного u1 (пунктирная линия), положительного u2, в 2 раза превышающего u1 (тонкая линия). Наклон интегратора (угол ) при разряде постоянен, так как постоянны напряжение и постоянная времени интегратора, это и дает возможность получить время разряда интегратора Tx, пропорциональное ux.

На рис. 4.22 показан также процесс интегрирования ux = u2 + uп. При равенстве периода помехи Tп и Tи напряжение помехи uп не оказывает влияние на значение u’2 и, следовательно, на Tx2.

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью uоп, нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство uинт= 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих ux и uоп, кратковременной нестабильностью f0 и Tи.

Практически все современные цифровые вольтметры (ЦВ) строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02…0,005 %, подавление помех нормального вида 40…60 дБ, общего вида 100…160 дБ. С целью наибольшего подавления помех нормального вида с частотой сети (50 и 400 Гц) интервал интегрирования Tи выбирают кратным периоду этой сетевой помехи Tп (Tи = nTп, n = 1,2…). Для поддержания равенства Tи = nTп в ЦВ применяют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает указанное равенство с требуемой точностью.

121

Достоинства: подавление напряжения помехи, получение высокой точности при относительной простоте схемы, возможность полной реализации на ИМС.

4.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Электрические цепи представляют собой совокупность соединенных друг с другом элементов – источников электрической энергии и нагрузок в виде резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов. Эти нагрузки можно рассматривать как двухполюсники с идеальными параметрами (R, L, C) только при определенных допущениях.

Реальные элементы электрической цепи кроме своих основных параметров имеют и дополнительные параметры, так называемые остаточные или паразитные. Например, катушки индуктивности обладают собственной емкостью и активным сопротивлением; резисторы имеют некоторую индуктивность. Поэтому конденсаторы, катушки, резисторы характеризуется некоторым эффективным значением емкости, индуктивности и сопротивления, которые зависят от частоты.

Если на результат измерения влиянием паразитных параметров нельзя пренебречь, следует проводить измерение на рабочих частотах, токах, напряжениях.

Наиболее распространенными методами измерения параметров элементов электрической цепи являются следующие методы: вольт- метра-амперметра, непосредственной оценки, мостовой, резонансный и дискретного счета.

4.3.1. Метод вольтметра-амперметра

Измерение методом вольтметра-амперметра сводится к измерению тока и напряжения в цепи с измеряемым двухполюсником и последующему расчету его параметров по закону Ома.

Метод может быть использован для измерения активного и полного сопротивления, индуктивности и емкости.

122

Измерение активных сопротивлений производится на постоянном токе, при этом включение резистора RX в измерительную цепь возможно по схемам, представленным на рис. 4.23, а и 4.23, б.

Рис. 4.23. Измерение активных сопротивлений методом вольтметра-амперметра

Обе схемы включения приводят к методическим погрешностям R, зависящим от величины сопротивлений приборов. Очевидно, что в схеме (см. рис. 4.23, а) методическая погрешность тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра (при RA 0 R 0), а в схеме (см. рис. 4.23, б) эта погрешность тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра (при RV R 0). Таким образом, схемой, приведенной на рис. 4.23, а, следует пользоваться для измерения больших сопротивлений, а схемой, приведенной на рис. 4.23, б, – для измерения малых сопротивлений.

Измерение полного сопротивления ZX выполняется на переменном токе частотой f (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Измерение полного сопротивления двухполюсника

123

По показаниям вольтметра и амперметра определяют модуль полного сопротивления,

где UV, IA – показания вольтметра и амперметра.

Схему, представленную на рис. 4.24, а, целесообразно применять при ZX << ZV, а схему на рис. 4.24, б – при ZX >> ZA.

Измерение емкости методом вольтметра-амперметра может быть выполнено по схемам, представленным на рис. 4.25.

Рис. 4.25. Измерение емкости методом вольтметра-амперметра

Емкостное сопротивление конденсатора

откуда

I

Cx UC .

Следовательно, при измерении емкости этим методом необходимо знать частоту источника питания. Для измерения больших емкостей рекомендуется схема, приведенная на рис. 4.25, а; а малых емкостей – на рис. 4.25, б.

Для измерения очень малых емкостей, от долей пикофарады, применяют метод двух вольтметров, который является вариантом метода вольтметра-амперметра. Схема метода приведена на рис. 4.26.

124

Для уменьшения погрешности измерения необходимо выполнить условие С0>>СX, тогда можно упростить выражение (4.10)

Cx C0U2 . U1

Измерение индуктивности катушки методом вольтметраамперметра возможно, если ее активное сопротивление RL значительно меньше реактивного сопротивления XL, (рис. 4.27, а, б).

Рис. 4.27. Измерение индуктивности катушки

125

При этом

I ULL ,

откуда

L UIL .

Если требуется получить более точный результат, то необходимо учесть сопротивление катушки. Поскольку

Погрешности измерения параметров элементов цепей методом вольтметра-амперметра на низких частотах составляют 0,5…10 % и определяются погрешностью используемых приборов, а также наличием паразитных параметров. Погрешности измерения возрастают с увеличением частоты.

4.3.2. Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки реализуется в приборах для измерения сопротивления постоянному току – электромеханических и электронных омметрах.

4.3.2.1. Электромеханические омметры

Электромеханические омметры строятся на основе приборов магнитоэлектрической системы и в зависимости от величины измеряемого сопротивления могут быть выполнены по схеме с последовательным (рис. 4.28, а) либо параллельным (рис. 4.28, б) включением измеряемого сопротивления.

126

в крайнем левом положении на отметке 0 мкА, следовательно, эта отметка шкалы будет соответствовать Rx = .

Далее, замкнув ключ Кл, т.е., моделируя Rx = 0, наблюдают отклонение стрелки прибора и регулируют резистором RP ток через прибор до установки стрелки на конечную отметку. Омметр такого типа предпочтительно использовать для измерения сравнительно больших сопротивлений (до нескольких килоом), так как при малых значениях Rx этот омметр имеет малую чувствительность.

Для измерения небольших сопротивлений, до сотен Ом, применяются омметры, выполненные по схеме с параллельным включением измеряемого сопротивления, уравнение шкалы для которых имеет вид

Как и в схеме с последовательным включением, здесь отклонение стрелки прибора зависит только от Rx при условии, что остальные члены уравнения (4.12) постоянны. Перед проведением измерения также необходимо установить размах шкалы, моделируя ситуацию Rx = 0 и Rx = и регулируя ток I сопротивлением резистора RP. Для омметра

спараллельным включением нулевое положение указателя совпадает

снулевым значением измеряемого сопротивления, а крайнее правое

положение стрелки соответствует Rx = . Шкала такого омметра изображена на рис. 4.28, б.

Омметры, выполненные по схемам рис. 4.28, а, б, выпускаются как отдельные приборы, а также входят в состав комбинированных приборов (тестеров, авометров). Класс точности омметров не ниже 2,5; 4,0.

4.3.2.2. Электронные омметры

При построении электронных омметров используются два метода измерения: метод стабилизированного тока в цепи делителя и метод

преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение.

128

Схема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока приведена на рис. 4.29, а.

Рис. 4.29. Измерение сопротивления по методу стабилизированного тока

Делитель напряжения, составленный из известного образцового Rобр и измеряемого Rx сопротивлений, питается от источника опорного напряжения Uоп. Падение напряжения на образцовом резисторе усиливается усилителем У с большим входным сопротивлением. Выходное напряжение усилителя Uвых зависит от значения сопротивления Rx. В качестве индикатора обычно применяется микроамперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого градуируется в единицах сопротивления. Если усилитель имеет коэффициент усиления К и входное сопротивление Rвх >> Rобр, то измеряемое сопротивление определяется выражением

Этот вариант схемы омметра применяется для измерения достаточно больших сопротивлений, когда Rx > Rобр.

Для измерения малых сопротивлений (Rx < Rобр) используется схема, представленная на рис. 4.29, б. Измеряемое сопротивление здесь определяется выражением

129

Вторая схема реализована в ряде промышленных миллиомметров, обеспечивающих измерение активных сопротивлений в диапазоне 10-4…102 Ом с погрешностью 1,5…2,0 %.

Измерение средних и больших (до 1018 Ом) сопротивлений осуществляется с использованием преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение. В основу метода положен принцип работы операционного усилителя (ОУ) постоянного тока с отрицательной обратной связью (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Схемы омметров на основе операционных усилителей

Для схемы, представленной на рис. 4.30, а, измеряемое сопротивление Rx определяется выражением

где Uвых – выходное напряжение усилителя; Rобр – образцовый резистор.

При постоянных значениях Uоп и Rобр напряжение Uвых будет зависеть только от Rx и, следовательно, шкала микроамперметра может быть отградуирована в единицах сопротивления. Указанная схема

130