Тема 1. Приборы, используемые для проведения исследований электротехнических материалов

1.1. Мосты переменного тока

Измерения значений емкости конденсаторов С, сопротивлений R резисторов, индуктивностей L радиокомпонентов (резисторов, катушек и т.п.), тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и другие характеристики материалов производятся с использованием мостов переменного тока [1, гл. 4].

В лаборатории используются различные мосты переменного тока, в том числе автоматические, однако их принцип действия идентичен.

1.1.1. Мост переменного тока р577

Упрощенная схема моста переменного тока Р577, используемого для измерения емкости конденсаторов С и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ материалов на частотах 4020000 Гц, изображена на рис. 1.1.

От генератора переменного напряжение поступает на трансформатор Т, на вторичной обмотке которого появляется переменное напряжение амплитудой несколько вольт.

Рис. 1.1. Упрощенная схема моста переменного тока Р577

Расчет схемы моста переменного тока Р577 приведен в лабораторной работе № 4.1.

Прибор предназначен для измерения емкостей С на частотах 40 – 20000 Гц с последовательной или параллельной схемами замещения (рис. 1.1).

Измерение диэлектрических характеристик осуществляем посредством балансировки (″компенсации″, настройки на "нуль") моста переменного тока Р577, т. е. такой настройки моста, при которой внутренний прибор-индикатор или внешний прибор-осциллограф регистрируют минимально возможный сигнал в его диагонали между точками С и D – узлами моста (рис. 1.1).

Другими словами, при измерении параметров диэлектрика необходимо ″уравновесить″ схему; это достигается изменением потенциалов _C и _Д точек схемы С и D (рис. 1.1) так, чтобы значения _C и _D были (по возможности) близки к друг другу при максимальной чувствительности регистрирующего прибора.

Общие сведения о режимах работы. Упрощенный вид передней панели моста переменного тока Р577 показан на рис. 1.2.

Образец (конденсатор, диэлектрик с электродами и т. д.) подключаем с помощью проводов к клеммам, обозначенным "Объект измерения".

Рис. 1.2. Внешний вид используемых приборов

Режим ″Генератор внутренний″

Если переключатель N₁ установлен в положение "  Внутр.", то источником питания моста служит внутренний генератор, при котором измерения производим при стандартной частоте, равной 1 кГц. В этом режиме внешний генератор должен быть отключен. Регистрирующим прибором, с помощью которого контролируется процесс балансировки моста (уравновешивание мостовой схемы), обычно служит внутренний стрелочный прибор "Указатель внутренний". Следовательно, если процесс уравновешивания контролируем с помощью встроенного стрелочного прибора (вольтметра), то с помощью потенциометров N₇, N₈, N₂ уменьшаем показания прибора, по возможности, приближая стрелку к нулю. Если стрелка уходит за пределы положения, соответствующего цифре 20 на шкале прибора, уменьшаем чувствительность с помощью потенциометра N₃, но по мере приближения к оптимальной балансировке моста, наоборот, увеличиваем чувствительность прибора.

Режим ″Генератор внешний″

Поскольку в лаборатории испытания производятся при различных частотах, то в качестве генератора используется внешний генератор, подключаемый к клеммам моста ″Питание внешнее″. Этот режим работы моста реализуется при включении прибора с помощью переключателя N₁, устанавливаемого в положение ″ ≈ Внеш.″ (внутренний генератор автоматически отключается).

Балансировка моста, принцип которой описан выше, в данном режиме производится с помощью осциллографа, подключаемого к выводам, обозначенным "Указатель внешний".

Таким образом, после включения переключателя N₁ в положение "Внеш." сигналы различных частот (2…40 кГц) получаются с помощью внешнего генератора. Процесс уравновешивания моста при этом контролируем только помощью внешнего регистрирующего прибора, например, осциллографа.

При настройке моста с помощью осциллографа начинаем контролировать сигнал при невысоком уровне чувствительности прибора. Регулирование амплитуды сигнала производим с помощью кнопок деления (входной сигнал делится по специальной схеме в соответствующее количество раз – 1000 или 100) на осциллографе, а также с помощью кнопок усиления, например, "20 мВ/дел.".

Балансировку моста контролируем посредством визуального наблюдения за амплитудой сигнала (форма сигнала не важна) на экране осциллографа и осуществляем сначала путем "грубой" настройки (с использованием переключателей N₆, N₄), а затем с помощью попеременного вращения потенциометров N₇, N₈ и N₂, ответственных за изменение емкости конденсатора и тангенса угла диэлектрических потерь материала.

По мере достижения режима оптимальной балансировки увеличиваем уровень чувствительности осциллографа, перейдя в результате к следующим режимам, например, делитель  "10"; усиление – "10 мВ/дел." (или "5").

Последовательность балансировки моста. Измерения емкости конденсатора и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика производим в следующей последовательности:

– включаем мост переменного тока с помощью переключателя N₁ в положение "Внеш." (при использовании внешнего генератора);

– при использовании внешнего генератора, например, при частоте 7 кГц, переключатель N₁ устанавливаем в положение "Внеш.", а выводы от генератора подключаем к клеммам, обозначенным "Питание внешнее" и расположенным на передней панели прибора; на генераторе устанавливаем частоту, например, 7 кГц (7·10³ Гц);

– переключатель N₆ устанавливаем в такое положение, чтобы в окошке 5 появилась индикация знаков "", "F" и схемы замещения диэлектрика. Это означает необходимость произвести умножение показаний N₄ на величину 10^6 Ф. Схему замещения диэлектрика выбираем произвольно (параллельную или последовательную). Рекомендуемая схема включения и начальная установка переключателей диапазона N₄ может быть указана на стенде. В дальнейшей работе необходимо использовать ту схему замещения, при которой показания приборов более устойчивы;

– ручку регулировки N₂ для измерения значений tgδ устанавливаем в произвольное среднее положение; переключатель диапазонов N₄ – в рекомендуемое положение, например, "10^4 мкФ";

– включаем генератор и устанавливаем начальную рекомендуемую частоту (режим внешнего генератора); значение напряжения на выходе генератора не является принципиальным при балансировке моста, поэтому потенциометр ″Напряжение выхода″ устанавливаем в среднее положение;

– включаем осциллограф, прогреваем его до появления устойчивого сигнала; с помощью потенциометров управления и кнопок усиления устанавливаем такой режим, при котором на экране виден сигнал амплитудой не более 2-3 см. При этом потенциометр "Плавное усиление" (рис. 1.2) должен находиться в крайнем правом положении.

После того как на экране осциллографа получено изображение сигнала (важно контролировать не форму сигнала, а его амплитуду), необходимо приступить к максимально возможной балансировке моста;

– начинаем настройку моста с целью определения значения емкости С образца. Потенциометры для измерения емкости имеют две круговые ручки настройки: внешнюю N₈ (фиксирует целые значения числа, например, 1) и внутреннюю N₇ (фиксирует десятые-сотые значения числа, например, 38). Показания следует считывать следующим образом: N₈, N₇ (т. е. 1,38).

Поэтапно вращая вначале "грубую" шкалу настройки емкости целых значений числа, определяем значение N₈, при котором амплитуда сигнала на экране осциллографа максимально уменьшается. Если достигнута балансировка при "грубой" чувствительности осциллографа, необходимо перейти на более чувствительные диапазоны (в результате рекомендуется установить кнопки "Делитель" – на отметке 1, "Усиление" – на отметках 10 или 5). Таким образом, медленно вращая ручку настройки (вначале "грубую" N₈, затем "точную" N₇) добиваемся максимально возможного уменьшения амплитуды сигнала (при наилучших условиях до появления "прямой" линии);

– приступаем к балансировке моста с помощью потенциометра N₂, значения которого связаны с величиной тангенса угла диэлектрических потерь. Иногда при очень больших или малых значениях тангенса угла диэлектрических потерь материала показания потенциометра N₂ выходят за пределы шкалы. В таких случаях приходится производить балансировку только с помощью потенциометров, фиксирующих емкость, а также рекомендуется переходить на другую схему замещения или другие диапазоны N₄.

Таким образом, последовательно вращая потенциометры, добиваемся максимально возможного баланса моста. Полученные значения величин N₄, N₈, N₇, N₂ используем для расчета значений tg материала и емкости С образца.

Методика расчета значения емкости С. Для определения величины емкости образца считываем со шкал значения N₈, N₇. Производим расчет емкости с учетом данных значений по формуле

С = (N₈, N₇) N₄10^6 Ф = (N₈, N₇)N₄, мкФ. (1.1)

Например, если N₈ = 1, N₇ = 38, указатель N₄ находится в положении "10^4" (напротив знаков "" и "F" в окошке 5), имеем

С = 1,3810^10 Ф = 1,3810^4 мкФ = 138 пФ. (1.2)

Методика определения значения tgδ. Для определения величины tgδ материала образца предварительно уточняем следующие показатели:

 схему замещения, в зависимости от которой считываем с соответствующей шкалы указателя значение N₂ (например, 0,5);

 частоту генератора f (например, 7 кГц);

 значение N₄ (например, 10^4).

Расчет значения tg производится по следующим формулам:

– при последовательной схеме замещения

tg = kfN₂, (1.3)

– при параллельной схеме замещения

tg = kN₂ /f, (1.4)

где k = 1 на шкалах N₄ = 10^3 мкФ, N₄ = 10^2 мкФ; k = 0,1 на шкале N₄ = 10^4 мкФ.

Таким образом, с учетом вышеуказанных значений при последовательной схеме замещения

tg = 7·0,1·0,5 = 0,35;

при параллельной схеме замещения

tg = 0,1·0,5/7= 0,007.

Методика расчета значения . Диэлектрическую проницаемость ε материала рассчитываем по стандартным формулам [1]. Например, с учетом известной емкости С_х образцов прямоугольной или цилиндрической формы можно рассчитать величину :

– плоский конденсатор (рис. 1.3, а):

C_x = εε₀S/h = εε₀r²/h; (1.5)

– цилиндрический конденсатор (рис. 1.3, б):

C_x = 2,3εε₀l/lg(D/d), (1.6)

где S – площадь электродов; r – радиус электродов; h – толщина диэлектрика; D  диаметр экрана (изоляции); d – внутренний диаметр изоляции, например, диаметр жилы; ε₀ - электрическая постоянная; ε₀ = 8,85·10^–12 Ф/м.

а) б)

Рис. 1.3. Примерные формы образцов при испытаниях