ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Схемы мостов для измерения параметров конденсаторов изображены на рис. 5а, б.

Первая схема используется для измерения параметров конденсаторов при tgδ ≤0,03 , а вторая − при Q ≤30 .

В схемах этих мостов R2, R4 градуируются в значениях емкости, а R3 значениях илиQ .

Начальная емкость моста измеряется при разомкнутых зажимах входного кабеля и должна учитываться при измерении малых емкостей.

Сходимость мостов переменного тока

В мостах переменного тока процесс уравновешивания моста, т.е. процесс приведения к нулю напряжения неравновесия (или разбаланса) регулировкой параметров мостовой цепи, имеет ряд особенностей.

Этот процесс достаточно сложен и подробное его рассмотрение выходит за рамки лабораторной работы. Однако основные его особенности можно пояснить на основе моста для измерения параметров конденсатора с несколько измененными регулировками (рис. 6а).

Процесс уравновешивания моста проще всего представить с помощью топографической диаграммы (рис. 6б). На ней показано изменение

положения векторов U Rа,х,U R б,х ,U Cx ,U С3 при регулировке

Rа и Rб, причем, надо иметь в виду, что активное сопротивление между точками «а» и «б» остается постоянным, а поэтому угол ϕ между векторами U п и I1 сохраняется неизменным при перемещении подвижного контакта резисторов RаиRб. Геометрическим местом перемещения точки б является прямая, параллельная вектору тока I1. В свою очередь перемещение движка резисторов R2 ,R4 приводит к перемещению точки г по вектору U п.

3

Процесс уравновешивания моста происходит следующим образом. Обозначим начальные положения точек б и г через б1 и г1. Вектор

U б,г является напряжением разбаланса моста, которое в процессе

уравновешивания должно быть сведено к нулю (при бесконечной чувствительности НИ). Если процесс регулировки начать с регулировки

Ra , Rb , то минимизация U б,г будет достигнута в точке б2. Затем необходимо перейти к регулировке R2 ,R4 и новая минимизация U б,г достигается в точке г2 (последовательные положения концов вектора U б,г в ходе таких регулировок обозначены цифрами 1, 2, 3,

4, 5).

Продолжение подобных регулировок приведет к достижению равновесия моста в точке бр , гр. Из этого видно, что процесс уравновеши-

вания должен заключаться в обязательном поочередном проведении используемых регулировок через достижение частных минимумов разбаланса моста. Кроме того, в процессе уравновешивания приходится изменять чувствительность НИ от минимально необходимой вначале до максимально возможной в конце.

Необходимое для достижения равновесия моста число таких шагов является важной характеристикой моста и называется сходимостью моста. При анализе уравновешивания с помощью топографической диаграммы (рис. 6б) можно убедиться, что процесс уравновешивания требует тем меньше шагов, чем больше угол между траекториями перемещения точек б и г. В рассматриваемом случае он равен углу ϕ,

т.е. чем ближе ϕ к 900, тем выше сходимость моста. Следовательно, при измерении конденсаторов с малыми потерями сходимость моста будет лучше по сравнению со сходимостью моста при измерении параметров конденсаторов с большими потерями.

В реально используемых мостах процесс уравновешивания более сложен, так как траекториями движения концов вектора напряжения разбаланса являются дуги окружностей с перемещающимися центрами последних.

При разработке мостов их сходимости уделяется серьезное внимание и ее особенности оговариваются в технических описаниях мостов. Для некоторых схем мостов предусматриваются специальные процедуры для устранения положений ложного уравновешивания и облегчения достижения равновесия. Так, в некоторых случаях для установки состояния моста, близкого к положению равновесия, на начальной стадии уравновешивания НИ используется в режиме, когда его чувствительность ограничивается чувствительностью только к составляющей напряжения разбаланса, совпадающей по фазе с питающим мост напряжением.

4

Погрешности мостовых методов измерения

Погрешности мостов переменного тока регламентируются ГОСТ 9486-79 «Мосты переменного тока измерительные». В соответствии с ГОСТ классы точности мостов определяются, как правило, по основной относительной погрешности (метрологические характеристики используемого моста приведены на стенде).

Погрешности мостов определяются точностью и стабильностью используемых в схемах мостов элементов (особенно реактивных, − поэтому в качестве реактивных элементов используются конденсаторы, которые к тому же имеют значительно меньшие активные составляющие сопротивления по сравнению с катушками индуктивности), чувствительностью моста, стабильностью частоты питающего напряжения.

Полученные условия равновесия мостов справедливы при бесконечной чувствительности моста. Чувствительность моста зависит от напряжения питания моста, соотношений между сопротивлениями плеч моста и чувствительности нулевого индикатора.

В метрологических характеристиках мостов обычно указывается минимально необходимая чувствительность моста, соответствующая классу моста. Обычно такая чувствительность указывается в виде отношения определенной доли ( q ) деления шкалы индикатора (напри-

мер, ± 0,5 дел.) и определенной доли ( p ) от предела основной погрешности моста (например, 0,5 δосн).Такая чувствительность определяется вблизи равновесия моста. Таким образом,

минимально необходимая относительная чувствительность моста. При проведении измерения необходимо экспериментально убедится в достаточной чувствительности моста. С этой целью после уравновешивания моста надо опять разбалансировать мост, т.е. регулировкой увеличить отклонение НИ на 2 - 3 деления. Определяемое значение относительной чувствительности по формуле

где X - абсолютное изменение измеряемого параметра X , приведшее к полученному отклонению НИ на α делений. Это значение относительной чувствительности должно быть не меньше минимально необходимой.

В качестве нулевого индикатора обычно используются электронные устройства с выходным магнитоэлектрическим механизмом с неградуированной шкалой и нулем посередине. Кроме того, предусматривается регулировка чувствительности НИ.

5

Часто НИ имеет два режима работы, когда НИ реагирует или на входное напряжения без учета его фазового сдвига по отношению к выбранному опорному напряжению, или с учетом такого фазового сдвига (в этом случае в структуру НИ вводится схема фазового детектора).

Универсальные мосты переменного тока

Универсальные мосты (УМ) предназначены для измерения параметров радиоэлементов, электронных и электрических цепей.

В состав УМ входят: источник питающих напряжений, измерительная мостовая схема, нулевой индикатор, измерительный кабель и некоторые другие вспомогательные устройства.

Переход от одной схемы к другой осуществляется переключением плеч моста, при этом обеспечивается полное использование одних и тех же элементов схем для всех вариантов измерительных мостов. Поэтому мосты имеют общие отсчетные устройства при измерении всей номенклатуры параметров электрических цепей.

6

измерительный механизм. Шунты имеют малое сопротивление и применяются главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Применять шунты с измерительными механизмами других систем нерационально, так как эти измерительные механизмы потребляют большую мощность, что приводит к существенному увеличению сопротивления шунтов и, следовательно, к увеличению их габаритов и потребляемой мощности.

При применении шунтов с измерительными механизмами на переменном токе возникает дополнительная частотная погрешность вследствие разных зависимостей сопротивлений шунта и измерительного механизма от частоты.

Если необходимо расширить предел измерения в n раз, т. е. чтобы ток Iо был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть равно

Rш = Rо/(n-1)-

Шунты изготовляют из манганина. В соответствии с ГОСТ 8042—78 шунты разделяют натипы: ШС — шунт взаимозаменяемый стационарный; ШП — шунт взаимозаменяемый переносный. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора. Для измерения больших токов (до 6000 А) используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

Наружные шунты имеют массивные Т-образные наконечники из красной меди, Наконечники служат для отвода теплоты от манганиновых пластин, которые впаяны между ними. Ток подводится к наконечникам с помощью массивных болтов — токовых зажимов. Потенциальные зажимы выполняются в виде двух болтов меньшего размера, расположенных на медных наконечниках. Сопротивление шунта, заключенное между потенциальными зажимами, подгоняется

2

с помощью поперечных пропилов в манганиновых пластинах. Такое устройство шунта устраняет погрешности от контактных сопротивлений.

Рис. 2. Схемы многопредельных шунтов с рычажным переключателем (а), с отдельными выводами (б)

Шунты делаются взаимозаменяемыми, т. е. они рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. В соответствии с ГОСТ шунты должны иметь номинальное падение напряжения на потенци-

альных зажимах: 10, !5, 30, 50, 60, 75, 300 мВ.

В переносных магнитоэлектрических приборах на токи до 30А применяются шунты, изготовленные на несколько пределов измерения I1 ном, I2 ном, I3 ном. На рис. 2 изображены схемы многопредельных шунтов. Такой шунт состоит из нескольких резисторов, переключаемых в зависимости от предела измерения рычажным переключателем (рис. 2, а) или переносом провода с одного зажима на другой (рис. 2, б), т. е. с отдельными зажимами.

По точности шунты разделяются на классы точности: 0,05, 0,1; 0,2; 0,5

— стационарные; 0,02; 0,05; 0,2 — переносные. Число класса точности обозначает допустимое отклонение сопротивления в процентах его номинального значения.

Добавочные резисторы. Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток. Поэтому добавочный резистор, включенный последовательно с измерительным механизмом, вращающий момент которого зависит от тока, может служить для расширения пределов измерения по напряжению аналоговых вольт-

3

метров различных систем (кроме электростатической и электронной). Добавочные резисторы, называемые по ГОСТ 8023—78 добавочными сопротивлениями, также служат для расширения пределов измерения по напряжению других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом ИМ (рис. 3. ). Ток в цепи измерительного механизма I0) имеющего сопротивление Ro и включенного последовательно с добавочным резистором Rд, равен:

I0 = U/(R0 + Rд). где U — измеряемое напряжение-

75мВ U1ном U2ном U3ном

Если при помощи добавочного резистора Rд надо расширить в m раз предел измерения вольтметра, имеющего номинальный предел измерения Uном и сопротивление R0, то, предполагая постоянство тока вольтметра Iо, можно записать: Uном/R0= mUном/(R0+Rд), тогда

Rд=R0(m-1)

4

Изготовляются добавочные резисторы, как правило, из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала. Применяются также добавочные резисторы из литого микропровода в стеклянной изоляции. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную намотку для получения безреактивного сопротивления.

Наряду с расширением пределов измерения вольтметров добавочные резисторы уменьшают их температурную погрешность. Если принять, что обмотка измерительного механизма имеет температурный коэффициент сопротивления βо. а добавочный резистор — темпера-

турный коэффициент βд, то температурный коэффициент всего вольтметра β (Рис. 3) составит:

Обычно βд«0. Тогда

β = β0R0(R0 + Rд)

В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на несколько пределов измерения U1ном, U2ном, U3ном (рис. 4)., Добавочные резисторы бывают внутренние, встраиваемые в корпус прибора, и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и в соответствии с ГОСТ 8023—78 подразделяются на щитовые и переносные взаимозаменяемые и ограниченно взаимозаменяемые. Взаимозаменяемый добавочный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Добавочные резисторы, так же как и шунты, делятся на классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Класс точности определяется по относительной погрешности, %, равной

δ=±( /Rном)100%,

5