книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Измерение сдвига по фазе ф в режиме линейной развертки. Прн использовании линейной развертки на экране двухлучевого или однолучевого осциллогра­ фа одновременно наблюдают­ ся два исследуемых напряже­ ния: их и и2. При измерении с помощью двухлучевого осцил­ лографа на входы вертикаль­ ных каналов подают два си­ нусоидальных напряжения одинаковой частоты: их= (/мхХ Х51П 0)?И иг = (/и351П ((0(—ф), между которыми измеряется сдвиг по фазе. При совмеще­

нии горизонтальной развертки лучей в одну линию на экране на­ блюдаются изображения напряжений их и и2 (рис. 10.4). По из­ меренным в масштабе отрезкам аЬ и ас, соответствующим времен­ ному сдвигу АТ и периоду Т, вычисляется сдвиг по фазе

При измерении с помощью однолучевого осциллографа напря­ жения их и иг подают через электронный коммутатор на вход V

эллипса). При измерении сдвига по фазе между напряжениями по фигурам Лиссажу одно из них подается на вход вертикального, а другое — на вход горизонтального каналов. При этом на экране наблюдают фигуру Лиссажу в виде эллипса (генератор развертки при этом выключен). Центр эллипса (рис. 10.5) необходимо совме­ стить с началом координат и найти точки пересечения эллипса с осью абсцисс (ординат) и максимальную абсциссу (ординату) эл­ липса. При I = 0 или I =* я/со напряжение, отклоняющее луч по

вертикали, иг = 0, а напряжение, отклоняющее луч по горизон­ тали, и2 = 1/м2з т ф , или и2 = —1/м2 з т ф . Отрезок аЬ эллипса пропорционален 2Цм2 з т г|э. Отрезок а'Ь', пропорциональный 2С/к1, соответствует максимальному отклонению луча в горизонтальном направлении. Сдвиг по фазе

По фигуре эллипса можно измерять значения сдвига по фазе без определения знака угла сдвига. Погрешность измерения по фигуре эллипса составляет 5—10 %. Причинами погрешности явля­ ются неточность определения длин отрезков; ширина луча; дефор­ мация эллипса, вызванная наличием высших гармоник в исследуе­ мых напряжениях; различные фазовые погрешности усилителей го­ ризонтального и вертикального каналов осциллографа. Измере­

ние ф производят в диапа­

на модулятор (управляющий электрод) ЭЛТ со сдвигом по фазе на 90°, за счет чего увеличивается яркость части эллипса при положительнои полуволне поданного напряжения. Так как при положи­ тельном и отрицательном сдвиге по фазе электронный луч движется соответственно по часовой и против часовой стрелки, то при поло­ жительных значениях ф ярче светится верхняя часть эллипса, а при отрицательных — нижняя. Схема с изменением яркости луча позволяет измерять сдвиг по фазе в пределах ± 180 ° с указанием знака.

Измерение сдвига по фазе ф компенсационным методом. Точность измерения сдвига по фазе ф может быть значительно повышена, если в цепь одного из исследуемых напряжений вносится сдвиг по фазе (рис. 10.6), равный по значению, но обратный по знаку сдвигу по фазе между исследуемыми напряжениями иг и н2.

Значение вносимого сдвига по фазе изменяется до тех пор, пока разность фаз между исследуемыми напряжениями не станет равна 0 или 180° На экране осциллографа (в индикаторе равенства фаз) вместо эллипса будет наблюдаться прямая, наклоненная вправо (сдвиг фаз равен ф) или влево от вертикальной оси (сдвиг фаз равен 180°— ф). Таким образом, выполняется сравнение измеряемого сдвига по фазе со сдвигом по фазе, создаваемым образцовым фазо­ вращателем. Отсчет угла сдвига по фазе ф определяется по шкале фазовращателя. В качестве фазовращателя используют #С-це­ почки, мостовые и трансформаторные схемы и др. Частотные свой­ ства фазовращателя определяют диапазон рабочих частот.

Глава 11

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

§ 11.1. Общие сведения

Основными параметрами элементов и цепей с сосредоточенными постоянными являются сопротивления резисторов, емкость конден­ саторов, тангенс угла потерь конденсаторов, индуктивность и добротность катушки; взаимоиндуктивность двух катушек; сопро­ тивление колебательного контура (цепи).

Контроль и измерение электрических параметров вызваны необ­ ходимостью отбора отдельных элементов при создании и испытании различных радиоэлектронных устройств. Каждый год появляются новые материалы, из которых изготовляют резисторы, конденсаторы, катушки. Потребность в приборах с различными нижними и верх­ ними пределами неуклонно растет.

Измерение параметров элементов и цепей может быть прямое и косвенное. Прямые измерения выполняются методами непосредст­ венной оценки и сравнения (мостовыми). Косвенные измерения проводятся с помощью вольтметра и амперметра; методом замещения в сочетании с явлением резонанса.

Полное сопротивление цепи 7. зависит от частоты питающего тока. В общем случае полное сопротивление цепи — комплексная величина 2 = ге>^. Косвенное измерение полного сопротивления может быть осуществлено с помощью амперметра и вольтметра. Значение гх определяется по формуле гх — VII, где V и / — средне­ квадратичные значения напряжения и тока, измеренные прибо­ рами. Этим способом пользуются при измерении на переменном токе частотой 50 Гц или звуковой частотой. С помощью амперметра и вольтметра измеряются сопротивление Я, индуктивность Ь и емкость С, если измеряемое сопротивление активное, либо реактив­ ное, т. е. если Я = VII или Хс = 1 /(соС) = VII.

Погрешность измерения составляет 0,5—1,5 % при использо­ вании приборов класса точности 0,2 или 0,5; при измерении же при­ борами невысокого класса точности — 5—10%. Сопротивление Я, Хс может быть измерено по показаниям одного прибора: ампер­ метра, измеряющего ток в цепи при V = сопз(, или вольтметра,

в электромеханическом омметре, а вольтметром — в электронном омметре.

Измерение Я, Ь, С в лабораторной и инженерной практике осуществляют с помощью различных мостов.

Измерение Я, Ь, С на высоких частотах выполняют резонанс­ ными измерителями.

Выбор метода и прибора для измерения параметров компонентов

ицепей с сосредоточенными постоянными определяется характером

изначением измеряемого параметра, требуемой точностью, диапа­ зоном рабочих частот и приложенного напряжения, температурой

ит. п.

§ 11.2. Методы и приборы непосредственной оценки

Аналоговые измерители сопротивления постоянному току. Диа­ пазон сопротивлений, подлежащих измерению, составляет 10~8— 1016 Ом, причем точность измерения очень малых и очень больших значений сопротивлений невысока. Сопротивление высокоомных микропроволочных резисторов составляет значение до 1010 Ом, не­ проволочных резисторов— до 1013 Ом, а диэлектриков— до 101в Ом. Верхний предел измерения приборов для измерения удель­ ного объемного и поверхностного сопротивлений доходит до 101СОм.

Микропроволочные резисторы сопротивлением до Ю10 Ом изме­ ряют с погрешностью ± (0,001—0,1) %; непроволочные резисторы сопротивлением до 1014 Ом — с погрешностью ± (0,1—1) %; а со­ противление диэлектриков до 101с Ом — с погрешностью ± (10—

противление постоянному току можно измерить приборами непо­ средственной оценки и мостами постоянного тока.

В зависимости от пределов измеряемых сопротивлений измери­ тели сопротивлений подразделяются на миллиомметры (с нижним

измеряемое сопротивление Кх включено последовательно с измерительным механизмом ИМ-, в схеме на рис. 11.1, б — параллельно с ним. Если в качестве изме­ рительного механизма использовать магнитоэлектрический микро­ амперметр с внутренним сопротивлением /?и, то ток 1 будет равен:

для схемы на рис. 11.1, а

Если в процессе измерения приложенное напряжение (/ под­ держивать постоянным, то ток I, а следовательно, и угол отклоне­ ния микроамперметра а = ф0 1/№ (см. § 2.3) в обоих случаях яв­ ляются функцией /?*.

Из приведенных предельных значений тока / для измерения значения Ях от 0 до оо следует, что шкала прибора в схеме, показан­ ной на рис. 11.1, а, должна быть обратной, а в схеме на рис. 11.1, б— прямой. Схему, изображенную на рис. 11.1, а, применяют для из­

няется соответствующая подгонка регулируемыми электрическим шунтом или добавочным сопротивлением.

Логометрические омметры (логометры) применяют в качестве измерительного прибора. Их показания не зависят от значения напряжения.

На рис. 11.2 представлена схема магнитоэлектрического лого­ метрического омметра. В этой схеме измеряемое сопротивление Ях соединяют либо последовательно с одной из рамок логометра, либо параллельно. Если токи /2и / 2в цепи рамок выразить соответственно

Логометрические омметры — приборы невысокого класса точ­ ности (1,5; 2,5; 4). Погрешность омметра указывают в процентах от длины рабочей шкалы.

Электронные омметры, мегомметры и тераомметры в настоящее время получили широкое распространение. На рис. 11.3 дана схема электронного омметра с последовательным включением измеряемого сопротивления Ях и образцового Я0- Электронные омметры изме­ ряют не ток, а падение напряжения либо на измеряемом сопротив­ лении

с помощью электронного вольтметра постоянного тока V.

Из анализа данных выражений следует, что при измерении С/х шкала омметра будет прямой (при Ях = 0, 11х — 0), а при измере­

грешностей измерения входное сопротивление усилителя должно быть велико по сравнению с Ях и Я0, поэтому во входных цепях его используют специальные электрометрические лампы с малыми сеточными токами, входным сопротивлением порядка 1016 Ом.

Если напряжение источника питания V значительно превосхо­ дит номинальное напряжение вольтметра (Уном, то применяют схему омметра с параллельным включением измеряемого и образцового сопротивлений.

Пределы измерения электронных омметров расширяют за счет набора образцовых сопротивлений.

Электронные омметры обычно представляют собой многопредель­ ные приборы. Шкала электронного омметра, как это следует из вы­

Шкала омметра при этом будет более равномерной. Этот же ре­ зультат может быть получен, если измерительную цепь омметра пи­ тать от источника тока. Универсальные приборы типов ВК7-9, В7-26 используют и как электронные омметры.

Применение в схеме электронного омметра операционного усили­ теля, представляющего собой высокостабильный усилитель постоян­ ного тока с параллельной обратной связью по напряжению, позво­ ляет создать омметры с равномерной шкалой и огромными преде­ лами измерений (Яхжкс/Кхияи » Ю10), а также омметры с цифровым отсчетом (ВК2-6).

На рис. 11.4 приведена схема измерителя сопротивлений, в ко­ тором делитель используется совместно с усилителем постоянного тока интегрального исполнения, коэффициент усиления которого равен отношению сопротивлений резисторов Ях и Я0- Выходное напряжение УПТ, измеряемое вольтметром, пропорционально из­

Е6-10), имеют линейную шкалу и используются в качестве тераом­ метров.

Цифровой измеритель сопротивления и емкости. Электромеха­ нические цифровые омметры строятся либо как цифровые вольт­ метры постоянного тока с автома­ тически перестраиваемой цепочкой образцовых резисторов, последо­ вательно с которыми включается измеряемый резистор Ях (см. рис.

11.3), либо как автоматический мост постоянного тока. Большим быстродействием обладают цифро­ вые измерители сопротивления и емкости (электронно-счетные ом­ метры-фарадометры), работающие на принципе измерения интервала

времени, равного постоянной времени цепи разряда конденса­ тора через резистор (рис. 11.5, а). При измерении Ях образцовым элементом является конденсатор емкостью С0; при измерении Сх — резистор сопротивлением Я0- Перед началом измерения конденсатор емкостью Сх с помощью ключа В подключается к источнику стаби­ лизированного напряжения Е (положение 1) и полностью заряжа­ ется по истечении некоторого времени. Момент начала измерения 4

ключ В в положение 2 — разряд. Разряд конденсатора Сх через ре­ зистор Я0 происходит по экспоненциальному закону, описываемому

С моментом ^ совпадает начало работы формирователя стробимпульса, отпирающего временной селектор, и на вход счетчика при этом начинают поступать импульсы образцовой частоты (счетные).

Момент 1г является началом измерения интервала времени. На­ пряжение ас (0 подается на один вход устройства сравнения, на второй вход которого подается постоянное напряжение иц =

Рис, 11,5, Схема цифрового измерителя сопротивления и емкости (а) и времен­ ные диаграммы (б), поясняющие принцип его работы

= 1 + Я2). снимаемое с делителя Вх — Я2. Сопротивления прецизионного делителя выбираются таким образом, чтобы Вг/(ВХ+ + В2) = 1/е. Тогда

Через интервал времени % после начала разряда напряжение на конденсаторе сделается равным Е!е, т. е. ис = = Е/е. В мо­ мент времени 1г равенства напряжений и% — ис устройство сравне­ ния выдает импульс, который прекращает работу формирователя строб-импульса. Временной селектор закроется. Счет импульсов за интервал времени т прекратится. Счетчик подсчитал т импуль­ сов, следовавших с периодом Т0 за время т:

Так как т = К0СХ, то при фиксированных значениях частоты счетных импульсов /0 = 1/Т0 и К0

± 2 ; ±:3. Например, при С0 = 1000 пФ, /0 = 1 МГц, <7= 3 Кх = т и выражается в килоомах. При Кх = 1 МОм количество импульсов т будет равно 1000.

Для уменьшения погрешности дискретности (равной соответ­ ственно А/? = ± Т о/С0или АС = ± Т 0Шо) нужно увеличивать ча­ стоту следования счетных импульсов /0 и постоянную времени цепи разряда конденсатора (т. е. соответственно С„ или /?0).

Достоинство описанного метода — высокая точность измерений и цифровой отсчет. Недостаток — отсутствие возможности измере­ ния параметров линейных компонентов на рабочей частоте.

§ 11.3. Методы и приборы сравнения

Измерительные мосты. Измерительные мосты — приборы, слу­ жащие для сравнения двух напряжений или двух сопротивлений. В основе работы измерительных мостов заложен дифференциаль­ ный или нулевой метод. При дифференциальном методе делают не- уравновешенно-показывающие мосты, а при нулевом — уравнове­ шенные или нулевые. В уравновешенных мостах сравнение проис­ ходит при помощи двух или более вспомогательных сопротивлений, подбираемых таким образом, чтобы со сравниваемыми сопротивле­ ниями они составляли замкнутый контур (четырехполюсник), пи­ таемый от одного источника и имеющий две равнопотенциальные или близкопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия. Отношение между вспомогательными сопротивлени­ ями является мерой отношения между сравниваемыми величинами.

Измерительные мосты различают по роду тока источника пита­ ния и схемному выполнению четырехполюсника.

Мосты постоянного тока делят на двуплечие, одинарные (четы­ рехплечие) и двойные (шестиплечие). Индикаторами равновесия в них служат гальванометры постоянного тока (стрелочные и зер­ кальные), электрометры, автокомпенсационные микровольтнаноамперметры. Мосты постоянного тока используют для измерения боль­ ших и малых сопротивлений.

Мосты переменного тока делят на одинарные, двойные, Т-об­ разные. По характеру сопротивления плеч мосты бывают с индук-

тивными и безындуктивными связями, а по влиянию частоты — частотонезависимые (равновесие их не зависит от частоты питающего напряжения) и частотозависимые (их равновесие зависит от частоты питающего напряжения). Индикаторами равновесия в них служат электронный индикатор с регулируемой

может быть выполнено любым из известных методов расчета слож­

Из (11.15) следует, что уравновешивание моста постоянного тока может быть выполнено регулированием отношения сопротив­ лений Я4/Я3 при некотором неизменном значении сопротивления Яг (мосты с переменным отношением плеч); сопротивления Яг и неиз­ менном отношении сопротивлений Я ^Я 9 (мосты с постоянным от­ ношением плеч).