книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Рис. 9.2. К защите мостов постоянного тока от токов утечки

путем изменения отношений сопротивлений этих плеч при неизменной сумме Яа + Яв-

Нижний предел измерения одинарных мостов по двухзажимной схеме подключения измеряемого сопротивления ограничивается по­ грешностями, вносимыми сопротивлениями гх и г2 соединительных проводов и переходных контактов, и обычно бывает не ниже 50 Ом. Применение четырехзажимной схемы подключения (рис. 9.1, б) дает возможность расширить нижний предел измерения одинарных мостов до 0,5...0,001 Ом. Действительно, сопротивления соединительных проводов г3 и г4 не влияют в этой схеме на результат измерения, по­ скольку они включены в диагонали моста последовательно с источни­ ком питания и нуль-индикатором, а влияние сопротивлений гх и г2 значительно уменьшено вследствие того, что они добавляются к сопро­ тивлениям плеч моста, которые выбирают значительно большими, чем Ях. Чтобы свести это влияние до минимума, в некоторых мостах со­ противления плеч и Ял уменьшают заблаговременно на значение сопротивления гк калиброванных соединительных проводов, с помо­ щью которых измеряемые сопротивления присоединяются к мосту. Необходимо, однако, отметить, что такой способ не устраняет влияния собственных сопротивлений выводов измеряемых сопротивлений.

Верхний предел измерения одинарного моста постоянного тока, не имеющего защиты от влияния токов утечек через сопротивления изоляции* составляет 10в Ом. Существенное уменьшение токов утечки

моста на общем экране (обычно это металлическая панель самого при­ бора), соединяемом при измерении больших сопротивлений с экранами измеряемого сопротивления, нуль-индикатора, а также источника

где с и й — числовые коэффициенты, характеризующие погрешность моста; # к — конечное значение сопротивления данного диапазона из­ мерения; Кх — измеряемое сопротивление.

Конструктивно современные мосты постоянного тока выполняются обычно в металлическом корпусе. На панели размещаются ручки де­ кадного рычажного магазина сопротивлений (плечо сравнения), штеп­ сельный или рычажный переключатель плеч отношения, а также все

необходимые переключатели и зажимы для переключения измеряемо­ го сопротивления, наружного гальванометра и источника питания. Некоторые типы мостов (обычно переносные) выпускаются со встроен­ ными гальванометром и источником питания (от батареи гальваниче­ ских элементов или через выпрямитель от сети переменного тока), г ! Основные технические характеристики некоторых типов измери­ тельных мостов постоянного тока приведены в табл. 9.1.

Процесс уравновешивания мостов постоянного тока может быть автоматизированный. Автоматические мосты нашли преимущественное

9.2. Мосты переменного тока

Мосты переменного тока служат в основном для измерений ком­ плексных сопротивлений. Простейшими и наиболее распространенны­ ми являются четырехплечие мосты переменного тока.

Уравнение равновесия моста переменного тока (рис. 9.4) имеет

вид

2\2з = 2%2^

где 2 и %2, 2% 2 4 — комплексные значения сопротивлений плеч моста.

Выразив комплексное сопротивление как 2 = 2е'ф, получим условие равновесия моста

2 12 3еЛ<Р‘+ч’*>= 2 22 4е«<М-Ф.).

Последнее равенство выполняется при

'В общем случае для уравновешивания моста переменного тока необходимо изменять по очереди значения двух регулируемых пара­ метров. Мерой совершенства моста относительно скорости достижения равновесия является так называемая сходимость, характеризующаяся количеством поочередных регулирований, необходимых для достиже­ ния условия равновесия [6].

В реальных конструкциях желательно иметь такие соотношения параметров плеч моста, чтобы составляющие измеряемого сопротивле­ ния могли быть определены независимо одна от другой через известные значения регулируемых элементов плеч моста, которые в этом случае можно проградуировать в значениях соответствующих составляющих измеряемой величины. Такие мосты называют мостами с раздельным

или независимым отсчетом.

Условия равновесия мостов тока могут быть зависимыми или неза­ висимыми от частоты напряжения питания. Мосты, в которых усло­ вие равновесия не зависит от частоты, называют частотно-незави­ симыми, а те, в которых имеет место такая зависимость,— частотно­ зависимыми. Последние применяются также и для измерения частоты.

В соответствии с условиями равновесия в схемах мостов пере­ менного тока для измерений емкости и угла потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек предусматриваются различные варианты включения в плечи моста исследуемых элементов и образ­ цовых мер сопротивления, емкости или индуктивности.

В табл. 9.2 приведены наиболее распространенные схемы мостов переменного тока и уравнения для определения измеряемых величин.

Мосты, выполненные по схемам 1 м2, применяются для измерений емкости и тангенса угла потерь соответственно конденсаторов с отно­ сительно малыми или относительно большими потерями.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов при высоких напряжениях осуществляется мостами Шеринга (схема 3). Поскольку 7,х и обычно значительно превышают 1г и 2 3, благодаря заземлению низкоомной вершины моста регулиру-

Таблица 9.2

емые элементы и С8 имеют потенциалы, близкие к потенциалу земли, что уменьшает влияние токов утечки на результаты измерений и созда­ ет условия для безопасного обслуживания высоковольтного моста.

Неизвестную индуктивность можно сравнивать с известной. Однако из-за сравнительно низкой точности мер индуктивности и неудобства регулирования их значений такие мосты применяют редко. В практике используют схемы сравнения неизвестной индуктивности с известной емкостью. Частотно-независимый мост (схема 4) применяют для изме­ рений индуктивностей с низкой добротностью, а частотно-зависимый (схема 5) — для измерений индуктивности с высокой добротностью.

Шестиплечий мост по схеме 6 предназначается для точных измере­ ний индуктивностей в звуковом диапазоне частот. Хорошая сходи­ мость моста объясняется независимостью условия равновесия по актив­ ной составляющей от сопротивления К.ъ. Поэтому условие Я.ХК3 = = /?2^4 не нарушается при дальнейшем уравновешивании изменением Т?5, необходимым для выполнения условия равновесия по индуктивно­ сти. В связи с этим первое уравновешивание часто производят на по­ стоянном токе.

Промышленные мосты переменного тока обычно делают универсаль­ ными, объединяющими несколько указанных измерительных схем. Таковы, например, мосты типа Р5016. Они предназначены для изме­ рений комплексных сопротивлений, емкости, индуктивности, тангенса угла потерь и тангенса угла сдвига фаз между векторами напряжения

и тока. Диапазон измерений: емкости 10~э...10г мкФ, индуктивности 10~6... 102 Гн, сопротивления 1...-1О0 Ом, тангенса угла потерь и танген-

стейшие четырехплечие трансформаторные мосты отличаются от рас­ смотренных выше наличием индуктивно связанных плеч в диагона­ ли источника питания или диагонали нуль-индикатора.

Равновесие моста по схеме рис. 9.5, а будет иметь место, когда на­ пряжения на вторичных’ обмотках трансформаторов равны по значе­ нию и совпадают по фазе с падениями напряжений на 21 и 22. Если, пренебрегая рассеяниями магнитного потока, напряжения на вторич­ ных обмотках принять пропорциональными числам витков щ и вторичных обмоток трансформатора, то условие равновесия моста за­ пишется в виде

Для схемы рис. 9.5, б условие равновесия будет аналогичным. Су­ щественным преимуществом последней схемы трансформаторного мос­ та является то, что нуль-индикатор гальванически отдален здесь от

Основными положительными свойствами всех трансформаторных мостов являются высокая стабильность плеч отношения (отношение чисел витков), пренебрежительно малое влияние на них температуры и сопротивлений утечки, возможность уравновешивания моста изме­ нением числа витков обмотки и использование образцовых мер постоян­ ного значения, широкий частотный диапазон (до сотен мегагерц). Схемы таких мостов позволяют производить измерения в некоторых случаях с точностью до 0,01...0,002 %.

Развитие мостов переменного тока за последнее время идет по пути построения автоматических цифровых приборов. Наметилась тенден­ ция создания универсальных мостов широкого назначения. Это, напри­ мер, мост переменного тока типа Р5010. Он является быстродейству­ ющим универсальным измерителем параметров комплексного сопротив­ ления на частоте 1000 Гц и предназначен для измерений емкости и тан­ генса угла потерь, индуктивности и сопротивления потерь, активного сопротивления, остаточной индуктивности и постоянной времени. Диапазон измерений моста составляет: емкости от 0,1 пФ до 100 мкФ;

1|» б от 0 до 0,5; индуктивности от 1 мкГн до 1 Гн; сопротивления по­ терь (при б 0,5) от 0 до 10 кОм. В зависимости от предела изме­ рения допустимая погрешность равна 0,5 или 1 %.

9.3. Компенсаторы напряжения постоянного тока

Принцип действия компенсатора напряжения (потенциометра) пос­

В момент равновесия, достигаемого регулированием компенсаци­ онного напряжения, показание гальванометра, включенного в иссле­ дуемую цепь (переключатель 5Л — в положении X), будет равно нулю. Тогда

Ех = — /РЯк„

где Якх — часть компенсационного сопротивления, с которого снима­ ется компенсирующее напряжение.

Значение компенсирующего напряжения может быть отсчитано по положению декадного переключателя компенсационного сопротивле­ ния, т. е. по значению Якх лишь при условии, что через Як протекает точно известное значение рабочего тока / р. Для установки рабочего тока переключатель 5Л устанавливают в положение НЭ и с помощью регулировочного резистора Я добиваются такого значения рабочего тока, при котором падение напряжения на установочном сопротивлении Яу равно э. д. с. нормального элемента НЭ, о чем свидетельствует ну­ левое показание гальванометра. Тогда

сравнению его значения со значением э. д. с. нормального элемента

Рис. 0.8. Схема включения компенсационных сопротивлений с наложением тока

где Л = 40 -гг—для потенциометров с постоянной с, равной 0,0001...0,02,

Потенциометры постоянного тока могут быть разделены на две группы: потенциометры большого сопротивления и потенциометры малого сопротивления. У первых сопротивление рабочих цепей (ком­ пенсационных декад) достигает 10 000 Ом на 1 В, их рабочий ток ра­

вен 10-4 А. Верхний предел измерения таких потенциометров равен 1,2...2,5 В. Потенциометры малого сопротивления при верхнем пределе измерения десятки милливольт имеют рабочий ток 1, 10, 25 мА.

Следует отметить очень важное свойство компенсаторов, заключа­ ющееся в том, что в момент компенсации ток в измерительной цепи практически отсутствует. При этом практически отсутствует и методи­ ческая погрешность, вызываемая потреблением энергии от исследуе­ мого объекта.

Основные требования, которые предъявляются к компенсаторным декадам потенциометров, заключаются в необходимости обеспечения постоянства рабочего тока при изменении компенсирующего напря-

Рис. 9.9. Принципиальная схема доухконтурного компенсатора

жения и достаточного количества знаков отсчета. Для обеспечения ука­ занных требований в многодекадных потенциометрах применяют спе­ циальные схемы соединения компенсационных сопротивлений, напри­ мер с замещающими декадами (рис. 9.7). Для сохранения неизменности рабочего тока в процессе уравновешивания в этом случае, кроме ос­ новных декад (с которых снимается компенсирующее напряжение), предусмотрены замещающие, имеющие такие же значения сопротив­ лений. Основные и замещающие декады соединены электрически и вы­ полнены конструктивно таким образом, чтобы при изменении положе­ ния контактных щеток суммарное сопротивление в цепи рабочего тока, а тем самым и рабочий ток компенсатора оставались неизменными.

Приведенная схема компенсационных сопротивлений имеет тот недостаток, что в цепи компенсационного напряжения (/к находятся трущиеся контакты, которые могут являться источником паразитных э.д.с. Поэтому такие схемы могут-быть только в сравнительно высоко­ омных компенсаторах, когда переходные сопротивления малы по сравне­ нию с большим сопротивлением Як, а компенсационные напряжения, с которыми складываются паразитные э. д. с., относительно велики.

Возможность получить несколько знаков отсчета с помощью одной декады сопротивлений дает схема компенсационных сопротивлений

сналожением токов (рис. 9.8). Действительно, если через сопротивления

Якомпенсационной декады протекают токи 1и / 2 и / 3, то падение на­ пряжения на них будет равно сумме падений напряжений, вызванных

протеканием каждого из токов. Если 1г : / 3 : 13 = 1 : 0,1 0,01, то значение компенсационного напряжения будет

^/к = ^щЯ + 1%п2Я4- ?зпзК —^Я{пг4- 0, 1л2 4- 0,01л3),

где пи я2, п3 — положения контактных щеток Щ1, Щ2, ЩЗ, определя­ ющие количество резисторов Я, через которые протекают соответствен­ но токи / 1} / 2 и /3.

Недостатком схемы компенсационных сопротивлений с наложением токов является некоторое непостоянство рабочего тока, значение кото­ рого зависит от положения щеток декадных переключателей. Для уменьшения этой зависимости сопротивления резисторов Я1> Я2 и ЯЗ берут значительно больше сопротивления резисторов Я, а компенса­ ционные сопротивления с наложением токов используют в качестве последних (младших) декад многодекадного компенсатора.

Один из способов построения современных многодекадных компен­ саторов состоит в использовании нескольких компенсационных конту-

ной ступени младшей компенсационной декады контура А .

Таких контуров может быть несколько, однако практически при­ меняется не более трех, как в восьмидекадном компенсаторе Р332 класса точности 0,0005.

В настоящее время широкое распространение получили полуавто­ матические компенсаторы (рис. 9.10). Уравновешивание основной части измеряемого напряжения осуществляется здесь ручным спосо­ бом, и нескомпенсированная часть измеряемого напряжения измеря­ ется с помощью фотогальванометрического микроамперметра.

Кроме компенсаторов с ручным уравновешиванием и полуавтома­ тических, существуют также самоуравновешивающиеся — автомати­ ческие, применяемые главным образом для измерений неэлектрических величин (см. п. 19.3).

9.4. Компенсаторы напряжения переменного тока

Принцип действия компенсаторов напряжения переменного тока, как и постоянного, состоит в уравновешивании измеряемого напряже­

ния 1)х известным напряжением 1/к, благодаря чему при измерениях, как и в компенсаторах постоянного тока, практически не потребляется энергия исследуемого объекта.

Равновесие двух переменных величин может быть достигнуто только тогда, когда их частоты и амплитудные значения одинаковы, а фазы противоположны.

Для того чтобы одинаковыми были частоты измеряемого и компен­ сирующего напряжения, питание исследуемого объекта и измеритель­ ной цепи компенсатора осуществляют от общего источника напряже­ ния с разделением этих цепей трансформатором. Учитывая то, что фор­

мы напряжений 0 Х и 0 К, сформированных в разных электрических цепях, могут быть несильно отличными от синусоиды, для фиксации момента равновесия используют частотно-избирательные индикаторы переменного тока, настроенные на основную гармонику (например, вибрационный гальванометр). Следовательно, при равновесии цепи компенсатора обеспечивается равенство мгновенных значений только первых гармоник.

В соответствии с двумя формами записи векторных величин в по­ лярных и прямоугольных координатах существуют два способа урав­