Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

прибора сначала происходит грубое измерение входного

напряжения, а затем сразу включается нужный предел.

Применение устройств автоматического выбора пределов

измерений обычно приводит к увеличению общего времени

измерения от 1,2 до 3 раз.

Часто предусматривается возможность отключения уст-

ройства автоматического выбора с переходом на ручное

переключение пределов.

Для нормальной работы почти всех преобразователей

необходимо входное напряжение не менее долей вольта,

поэтому в высокочувствительные измерители напряжения

вводят усилители, часто широкополосные с полосой про-

пускания от единиц герц до десятков мегагерц, обеспечи-

вающие чувствительность прибора порядка милливольт. Бо-

лее высокая чувствительность (до 1 мкВ) достигается в

том случае, если функции усилителя выполняет высокочув-

ствительный супергетеродинный приемник, настраиваемый

на частоту измеряемого напряжения. В измерителях посто-

янного напряжения используют усилители постоянного тока

(УПТ), наибольшей чувствительности достигают, применяя

УПТ с конвертированием.

Преобразователь является важнейшим элементом вольт-

метра в значительной мере определяющим метрологические

характеристики прибора. Выходное напряжение преобразо-

вателя может быть пропорционально амплитудному, средне-

выпрямленному или эффективному значениям входного на-

пряжения. Характер этой зависимости определяет, какое

входное напряжение (амплитудное, средневыпрямленное или

эффективное) измеряет вольтметр. Простейшими типами

преобразователей являются детекторы, особенно широко

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

распространены пиковые диодные детекторы. Существуют и

более сложные типы преобразователей, необходимые, на-

пример, для измерения амплитуды одиночных импульсов.

Выходное напряжение преобразователя поступает на

измеритель, постоянного напряжения. В аналоговых вольт-

метрах отсчет измеряемого напряжения производится по

шкале магнитоэлектрического прибора. Сопротивление рам-

ки магнитоэлектрических приборов обычно составляет сот-

ни Ом, поэтому такой прибор можно подключить непосред-

ственно только к преобразователю с низким выходным

сопротивлением. Так, магнитоэлектрические приборы часто

подключают к выходу преобразователей средневыпрямленно-

го и эффективного значений. В пиковых вольтметрах с ди-

одными детекторами выходное сопротивление преобразова-

теля оказывается большим и поэтому прибор включается к

выходу балансного УПТ. Основная погрешность аналоговых

вольтметров составляет 1...3%

Принципы построения цифровых вольтметров подробно

рассмотрены в [11 - 13].

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

4. Измерение параметров цепей с сосредоточенными

постоянными

4. 1. Общие сведения

Основными параметрами цепей с сосредоточенными по-

стоянными являются активное сопротивление, емкость и

индуктивность. При измерении этих параметров используют

мостовые и резонансные методы, а также методы, основан-

ные на преобразовании измеряемого параметра в напряже-

ние, ток или временной интервал.

При мостовом методе измеряемый элемент вводят в

одно из плеч сбалансированного четырехплечего или

более сложного моста, что приводит к нарушению баланса.

Затем с помощью образцовых элементов баланс восстанав-

ливают. По изменению параметров последних судят о па-

раметре измеряемого элемента. Метод применяется в широ-

ком диапазоне частот вплоть до 100...200 МГц.

Резонансный метод основан на известных зависимо-

стях между параметрами контура L, С, R и его резо-

нансной частотой и добротностью. Он пригоден для изме-

рений в диапазоне частот от единиц килогерц до сотен

мегагерц.

Катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы

помимо основного параметра (индуктивности, емкости и

сопротивления) характеризуются еще некоторыми паразит-

ными параметрами. С учетом этих параметров катушку

индуктивности и конденсатор можно характеризовать неко-

торыми эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопро-

тивлением, которые зависят от частоты. Поэтому экви-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

валентные параметры необходимо измерять на рабочей час-

тоте.

В зависимости от целей эксперимента приходится из-

мерять как основные, так и эквивалентные параметры.

Если требуемая точность невысока, то их можно считать

одинаковыми.

Эквивалентная схема катушки индуктивности состоит

из индуктивности L, сопротивления потерь R и собствен-

ной емкости C (рис.4.1, а и б) Катушку можно характе-

ризовать ее добротностью Q и собственной частотой. Па-

раметры Q и C зависят от частоты: с ее ростом

увеличиваются потери. Емкость C сильно изменяется

вблизи собственной частоты катушки. Обычно катушки при-

меняют на частотах, много меньших собственной, и изме-

нениями можно пренебречь. Поэтому в дальнейшем будем

считать собственную емкость постоянной.

Рис. 4.1.Эквивалентные схемы цепей с сосредоточен-

ными параметрами: а и б – индуктивности; в, г, д —

конденсатора

Индуктивность образцовых катушек обычно лежит в

пределах — от 1 мкГн до 1 Гн. Минимальные потери дос-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

тигаются соответствующим выбором материала каркаса,

конфигурации катушки, а также сечения провода и вида

намотки. Катушки небольшой индуктивности представляют

собой спираль, намотанную на керамическом каркасе ци-

линдрической или тороидальной формы. Образцовые катушки

помещают в экран. В паспортных данных кроме индук-

тивности указывают добротность катушки и ее собственную

емкость.

Эквивалентная схема резистора имеет такой же

вид, что и схема катушки, но емкость и индуктивность

обычно малы и полное сопротивление практически опре-

деляется величиной R. Толщина проводящего слоя пленоч-

ных сопротивлений, как правило, намного меньше глубины

проникновения тока, так что вплоть до самых высоких

частот рабочего диапазона резистора сопротивление

проводящего слоя изменяется мало. Однако с ростом час-

тоты увеличиваются диэлектрические потери в каркасе ре-

зистора, что главным образом и определяет зависи-

мость сопротивления от частоты.

В качестве образцовых применяют высокостабильные

проволочные резисторы. Резисторы с малым сопротивлени-

ем (до 1 Ом) выполняют в виде прямолинейного отрезка

проволоки или ленты из металла с высоким удельным со-

противлением. Для получения больших сопротивлений ис-

пользуют катушки с секционированной или бифилярной на-

моткой. При такой конструкции пренебречь влиянием

паразитных параметров можно только на частотах до де-

сятков килогерц.

Эквивалентная схема конденсатора включает в себя

емкость С, индуктивность вводов и обкладок конденсатора

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

L, а также сопротивление потерь R, зависящее главным

образом от диэлектрических потерь (рис. 4.1, в).

В рабочем диапазоне частот конденсатор можно пред-

ставить в виде параллельной или последовательной

схемы замещения (рис. 4.1, г и д).

Конденсатор характеризуют тангенсом угла диэлек-

трических потерь. В последовательной схеме (рис.4.1, д)

tgδ отражает отношение падений напряжения на активном

сопротивлении и емкости, а в параллельной схеме

(рис.4.1, г) - отношение токов.

4.2. Мостовые методы

Для измерений параметров L, С, R широко применяют

методы, основанные на свойствах мостовых схем. Упрощен-

ная схема измерителя с четырехплечим мостом приведена

на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Мостовая схема измерения R,L,C.

К диагонали моста подведено синусоидальное напря-

жение от генератора. Индикатор регистрирует напряжение,

возникающее в другой диагонали моста. Искомое полное

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

сопротивление вводят в одно из плеч моста. Затем мост

балансируют, изменяя сопротивления остальных плеч. Со-

стояние баланса фиксируется по нулевому показанию инди-

катора. Условием баланса моста является соотношение,

из которого определяется измеряемое сопротивление.

= R

(4.1.)

В качестве регулировочных элементов в мостах ис-

пользуют образцовые резисторы и конденсаторы. Изменяя С

или R, можно добиться выполнения условия (4.1).

Существует много разновидностей мостовых схем для

измерения сопротивления емкости и индуктивности.

Можно показать, что ток в диагонали моста пропорцио-

нален отклонению неизвестного сопротивления от его

значения при балансе. Коэффициент пропорциональности

определяется значением питающего напряжения и сопро-

тивления плеч моста, поэтому индикаторный прибор можно

проградуировать в значениях R

, выраженных в процен-

тах. Такие мосты называют процентными и широко при-

меняют для контроля сопротивления. Существуют и про-

центные мосты, работающие в уравновешенном режиме. Для

этого при номинальном значении измеряемого сопротивле-

ния сначала балансируют мост с помощью одного из рези-

сторов. Балансировка при измерении осуществляется пе-

ременным резистором, стоящим в другом плече, например,

со шкалой, проградуированной в процентах отклонения.

В зависимости от конструкции образцовых резисто-

ров мосты делятся на магазинные и линейные. В мостах

первого типа сопротивления плеч изменяют дискретно.

Поскольку магазины сопротивлений позволяют получить

дискретные сопротивления, то появляется погрешность

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

дискретности, равномерно распределенная в пределах ша-

га изменения. Используя линейную интерполяцию двух

значений , ближайших балансному, эту погрешность мож-

но уменьшить. В линейных мостах пределы измерения ус-

танавливают с помощью набора pезистоpов, а уравновеши-

вание производят, плавно изменяя переменный pезистоp.

Линейные мосты уступают магазинным по точности, но

проще конструктивно.

Мосты постоянного тока часто выполняют самобалан-

сирующимся. Сигнал ошибки, снимаемый с диагонали,

воздействует на схему управления образцовыми резисто-

рами плеч моста. С помощью схемы управления поочередно

включают образцовые резисторы, пока не будет достиг-

нут баланс. Самобалансирующиеся мосты часто конструк-

тивно совмещены с вольтметрами постоянного напряжения,

работающими по методу уравновешивающего преобразова-

ния. Делитель напряжения вольтметра вместе с устройст-

вом коммутации используется как образцовый резистор.

Погрешности измерения сопротивления с помощью са-

мобалансирующихся мостов обусловлены стабильностью об-

разцовых сопротивлений, чувствительностью и стабильно-

стью мостовой схемы и внутренним сопротивлением ключей,

используемых в схеме коммутации. Общая погрешность со-

ставляет 10

-3

...10

-4

от измеряемой величины и может быть

уменьшена до 10

-5

В настоящее время получили широкое распростране-

ние мосты переменного тока с автоматической баланси-

ровкой и цифровым отсчетом измеряемых величин. По спо-

собу достижения состояния баланса цифровые мосты

делятся на квадратурные и экстремальные. В квадратурных

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

мостах в измерительной диагонали выделяют активную и

реактивную составляющие напряжения. В процессе измере-

ния эти составляющие уменьшают до нулевого уровня, из-

меняя образцовые элементы моста. Процесс уравновешива-

ния происходит одновременно по обоим элементам.

Составляющие сигнала ошибки обычно выделяют с помощью

фазовых детекторов. Дрейф их нуля и наличие высших гар-

моник в цепи уравновешивания сильно снижают точность

измерения. Широкого распространения такие приборы не

получили.

Наиболее перспективны экстремальные мосты. В их

основу положена зависимость амплитуды напряжения в из-

мерительной диагонали моста от уравновешивающих пара-

метров. Если один из параметров менять, то напряжение

будет иметь минимум при значениях параметра, соответст-

вующего частичному равновесию (по этому параметру).

Уменьшение напряжения является показателем приближения

моста к состоянию баланса. Следовательно, измеряя на-

пряжение в измерительной диагонали, можно определить,

в каком направлении следует изменять параметр. Затем

этот параметр автоматически изменяется ступенями —

подобно тому, как это делается в цифровых вольтметрах

следящего уравновешивания — до тех пор, пока не будет

достигнут баланс. Для уравновешивания по двум пара-

метрам их изменяют поочередно по определенной програм-

ме.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

4.3. Измерение сопротивлений способом

ампеpметpа-вольтметpа

Способ заключается в измерении I и U, функциональ-

но связанного с измеряемым сопротивлением. Схемы его

реализующие - просты, но не обеспечивают высокой точно-

сти измерений (pис. 4.3.). В состав схем входят: эле-

менты электропитания Е; магнитоэлектрический элект-

pоизмеpительный механизм, пpогpадуиpованный в Омах и

обладающий сопротивлением R

им

; добавочное сопротивление

об

; калибровочное сопротивление R

Рис. 4.3.Схемы электромеханических омметров:

а - с последовательным включением измеряемого со-

противления; б - с параллельным включением измеряе-

мого сопротивления.

В схеме, изображенной на pис. 4.3, а, использу-

ется обкатная шкала: 0 соответствует значению R

= ∞,

а максимум - значению R

= 0. Эта схема используется для

изменения больших сопротивлений: R

= 10

Ом.

В схеме, изображенной на pис. 4.3, б - прямая шка-

ла, но неpавномеpная. Используется для измерения малых

сопротивлений. Градуировка этих омметров зависит от

напряжения источника питания Е.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.