3. Флюксметр

Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.

Флюксметр представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружинки, а через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке рамки может занимать любое положение относительно шкалы.

Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы при внешнем сопротивлении, меньшем 20 ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.

Для измерения магнитного потока, например постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки. Если эту рамку надеть на испытуемый магнит так, как это показано на рис., то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться э.д.с., создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3 прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рис 3, и остановлена, э.д.с., действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного продолжать двигаться.

Переместившись на некоторый угол a от начального положения, рамка 3 остановится. Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того, как число потокосцеплений витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на столько же, сколько создалось потокосцеплений измерительной рамки 2 с измеряемым потоком Ф.

Если успокоение прибора достаточно велико, для чего сопротивление цепи рамки не должно превышать некоторый определенный для данной конструкции предел (обычно 8—20 Oм), то между углом поворота стрелки флюксметра и измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость

где Ф – измеряемый поток;

w — число витков измерительной рамки 2;

Сф— постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно

деление шкалы.

Раздел 3 Измерение параметров элементов и компонентов электрических и электронных цепей

3.1 Измерение сопротивления прямым и косвенным методами.

Электрическое сопротивление - основная электрическая характеристика проводника, величина, характеризующая противодействие электрической цепи или ее участка электрическому току. Также сопротивлением могут называть деталь (её чаще называют резистором) оказывающую электрическое сопротивление току. Электрическое сопротивление обусловлено преобразованием электрической энергии в другие виды энергии и измеряется в Омах.

Сопротивление обозначается буквой R и определяется как

где

R — сопротивление;

U — разность электрических потенциалов на концах проводника, измеряется в вольтах;

I — ток, протекающий между концами проводника под действием разности потенциалов, измеряется в амперах.

Различают методы для измерения сопротивления при постоянном токе и при переменном, измерение больших сопротивлений, сопротивлений малых и ультрамалых, прямые и косвенные и т.д.

Измерение сопротивления при постоянном токе

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются косвенный метод, метод непосредственной оценки, а также мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности измерений. Из косвенных методов наиболее универсальным является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра

Данный метод основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (а) и измерение малых сопротивлений (б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

б)

а)

При использовании варианта измерений, изображенного на рис.2б, последовательно с измеряемым сопротивлением включается амперметр, и поэтому ток, протекающий через него, равен току, протекающему через резистор. Падение напряжения на вольтметре, однако, в этом случае, равно сумме падений напряжения на амперметре и на исследуемом резисторе:  , где – сопротивление амперметра. В качестве оценки измеряемого сопротивления в этом случае также следует принять отношение показаний измерительных приборов, которое составляет величину:

,

то есть при использовании этого метода также возникает систематическая погрешность, относительная величина которой равна:

,

и стремится к нулю при уменьшении сопротивления амперметра:  .

Таким образом, оба рассмотренных варианта применения метода амперметра-вольтметра обладают систематическим погрешностями, то есть их использование приводит к смещенным оценкам измеряемого сопротивления. Как это следует из соотношений при измерении малых сопротивлений следует выбирать вариант 2а, а при измерении больших – вариант 2б.

Достоинство схем метода измерение амперметром и вольтметром заключается в том, что по резистору с измеряемым сопротивлением можно пропускать тот же ток, как и в условии его работы, что является важным при измерении сопротивлений, значения которых зависят от тока.

Метод непосредственной оценки.

Метод непосредственной оценки предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Омметром называют измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения электрических активных (активные сопротивлений также называют омическими сопротивлениями) сопротивлений. Обычно измерение производится по постоянному току, однако, в некоторых электронных омметрах возможно использование переменного тока.

Мосты для измерения сопротивления на постоянном токе

Для измерения сопротивления на постоянном токе широко используются одинарные мосты. Одинарными мостами называют четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Существует ряд конструкций этих приборов с различными характеристиками. Погрешность моста зависит от пределов измерения и указывается обычно в паспорте моста.

Конструктивно мосты оформляются в виде переносных приборов; они рассчитаны на работу с собственным или наружным нуль-индикатором. При измерении малых сопротивлений на результат измерения существенное влияние оказывают сопротивления контактов и соединительных проводов, суммируемые с измеряемым сопротивлением. Для уменьшения этого влияния используют специальные способы присоединения Rx к мосту, для чего мост имеет четыре зажима.

Измерение сопротивления при переменном токе

Измеритель иммитанса

Измерителем иммитанса (или измерителем RLC) называют радиоизмерительный прибор, предназначенный для определения параметров полного сопротивления или полной проводимости электрической цепи. RLC в названии «измеритель RLC» составлено из широко распространённых схемных названий элементов, параметры которых может измерять данный прибор: R — Сопротивление, С — Ёмкость, L — Индуктивность.

Особенности измерения сопротивления заземления и изоляции.

Одним из мероприятий, проводимых для защиты линий связи от влияния внешних электромагнитных полей, является заземление, которое используется в комплексе с разрядниками, молниеотводами, грозозащитными тросами, а также самостоятельно (рабочие, защитные и линейно-защитные заземления).

Заземлением называется устройство, состоящее из заземлителей и проводников, соединяющих заземлители с электрическими установками.

Заземлитслем называется металлический проводник или группа проводников любой формы (труба, шина, проволока, стержень, лист), находящихся в непосредственном соприкосновении с землей и пред­назначенных для создания электрического контакта определенного сопротивления.

Сопротивлением заземления называется сумма сопротивлений подводящих проводов и прилегающих слоев грунта.

В зависимости от выполняемых заземлениями функций различают рабочее, защитное, линейно-защитное и измерительное заземления.

Рабочим заземлением называется заземляющее устройство, предназначенное для соединения с землей аппаратуры проводной связи с целью использования земли в качестве одного из проводов электрической цепи (например, дистанционное питание необслуживаемых усилительных пунктов (НУП) но системе "провод-земля").

Защитным заземлением называется заземляющее устройство, предназначенное для соединения с землей молниеотводов, оболочек кабеля, цистерн НУП, а также металлических частей силового обору­дования, устройств проводной связи, которые не находятся, но могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции проводников, несущих рабочий ток, и служат для защиты обслуживающего персо­нала, линий и аппаратов от опасных напряжений и придания устройствам связи потенциала земли.

Линейно-защитным заземлением называется заземляющее устройство, предназначенное для заземления металлических покровов кабелей (оболочек и экранов) по трассе кабелей и на каждой станции, куда заходят кабели.

Измерительным заземлением называется вспомогательное заземление, предназначенное для контрольных измерений сопротивлений рабочего и защитного заземлений в установках проводной связи.

В любом случае сопротивления рабочих заземлений не должны превышать 10 Ом в грунтах с удельным сопротивлением до 100 Ом*м и 30 Ом для грунтов с удельным сопротивлением более 100 Ом*м.

Защитные заземления МТС, ОУП и НУП должны быть не более 10 Ом для грунтом с удельным сопротивлением до 100 Ом*м и не более 30 Ом для грунтов с удельным сопротивлением более 100 Ом*м.

Сопротивления линейно-защитных заземлений для оболочек кабелей, проложенных в грунте, должны быть не более 10 Ом для грунтов с удельным сопротивлением 100 Ом*м; 20 Ом для фунтов с удельным сопротивлением 100 - 500 Ом*м и 30 Ом для грунтов с удельным сопротивлением свыше 500 Ом*м.

Сопротивление заземления может быть измерено методами амперметра-вольтметра, трех измерений и компенсации.

Метод амперметра-вольтметра

Рисунок 3.1 – Схема измерения сопротивления заземления методом амперметра-вольтметра

Суть этого метода заключается в измерении силы тока, проходящего через измеряемое заземление, а также падения напряжения, создаваемого током между измеряемым заземлением и вспомогательным заземлителем,

сопротивление заземления по формуле:

Rx=U/I

где U — показание вольтметра, в В;

I - показание амперметра, в А.

Метод трех измерений

Суть этого метода заключается в поочередном измерении сопротивлений заземлений трех пар заземлителей. Порядок измерения следующий:

-создают первую схему измерения (см. рисунок 3.2) уравновешивают мост и рассчитывают величину Rxy = n*Rm1 (Rxy = Rx + Ry);

-вместо заземлителя "Y" к мосту подключают заземлитель "Z". Уравновешивают мост и рассчитывают величину Rxz = n *Rm2;

-вместо заземлителя "X" к мосту подключают заземлитель "Y". Уравновешивают мост и рассчитывают величину Ryz = n *Rm3;

-рассчитывают измеряемое сопротивление заземления Rx по формуле Rx = 0,5 (Rxy + Rxz - Ryz), аналогично рассчитывают величины Ry и Rz.

Рисунок 3.2 – Схема измерения сопротивления заземления методом трех измерений

Метод компенсации

Суть этого метода заключается и подборе такого положения движка калиброванного резистора R (см. рисунок 3.3), при котором падение напряжения Ur на левой (по схеме) части резистора R равно падению напряжения Ux на измеряемом заземлителе. При равенстве этих напряжений в индикаторе отсутствует ток. Порядок измерения сопротивления заземления этим методом следующий:

-создают схему измерения (см. рисунок 3.3);

-плавно изменяя положение движка и подбирая коэффициент трансформации, добиваются отсутствия тока в индикаторе;

-рассчитывают сопротивление заземления Rх:

Rx=R*n

где R - показание шкалы переменного резистора в момент компенсации, в Ом;

n - коэффициент трансформации.

На принципе компенсации основана работа измерителя сопротивлений типа М - 416.

Рисунок 3.3 – Схема измерения сопротивления заземления методом компенсации

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

Измерение параметров конденсаторов и катушек индуктивности

К измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры, действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока, позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400—1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы. 

Измерение производят балансированием моста в результате попеременной подстройки двух его плеч. Отсчет показаний берется по лимбам рукояток тех плеч, которыми сбалансирован мост.

В качестве примера рассмотрим измерительные мосты, являющиеся основой измерителя индуктивности ЕЗ-3 (рис. 1) и измерителя емкости Е8-3 (рис. 2).

Рис. 1. Схема моста для измерения индуктивности

Рис. 2. Схема моста для измерения емкости с малыми (а) и большими (б) потерями

При балансе моста (рис. 1) индуктивность катушки и ее добротность определяют по формулам Lx = R1R2C2; Qx = wR1C1.

При балансе мостов (рис. 2) измеряемая емкость и сопротивление потерь определяют по формулам

Измерение емкости и индуктивности методом амперметра-вольтметра

Для измерения малых емкостей (не более 0,01 - 0,05 мкФ) и высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот широко используют резонансные методы Резонансная схема обычно включает в себя генератор высокой частоты, индуктивно или через емкость связанный с измерительным LС-контуром. В качестве индикаторов резонанса применяют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение. 

Методом амперметра-вольтметра измеряют сравнительно большие емкости и индуктивности при питании измерительной схемы от источника низкой частоты 50 - 1000 Гц. Для измерения можно воспользоваться схемами рис. 3.

Рисунок 3. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току

По показаниям приборов полное сопротивление

где

из этих выражений можно определить

Когда можно пренебречь активными потерями в конденсаторе или катушке индуктивности, используют схему рис. 4. В этом случае

Рис. 4. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра — вольтметра

Измерение взаимной индуктивности двух катушек

Измерение взаимной индуктивности двух катушек можно произвести по методу амперметра-вольтметра (рис. 5) и методу последовательно соединенных катушек.

Рис. 5. Измерение взаимной индуктивности по методу амперметра-вольтметра

Значение взаимной индуктивности при измерении по методу амперметра-вольтметра

При измерении по второму методу замеряют индуктивности двух последовательно соединенных катушек при согласном L^I и встречном L^IIвключении катушек. Взаимоиндуктивность вычисляется по формуле

 

Измерение индуктивности может быть произведено одним из описанных ранее методов.

Измерение параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Основные метрологические характеристики испытателей параметров полупроводниковых приборов приводятся на лицевых панелях приборов и в их паспортах.

Испытатели параметров полупроводниковых диодов и транзисторов классифицируются по следующим признакам:

1. по виду индикации — аналоговые и цифровые,

2. по назначению — мультиметры, измерители (испытатели) параметров полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем (Л2), логические анализаторы (ЛА).

Основными метрологическими характеристиками испытателей являются: назначение прибора, перечень измеряемых параметров, диапазон измерения параметров, погрешность измерения каждого параметра. 

Проверка годности полупроводниковых диодов, транзисторов и аналоговых интегральных микросхем осуществляется путем измерения качественных параметров с последующим сравнением их со справочными. Если измеренные параметры соответствуют справочным, то проверяемый диод, транзистор или аналоговая интегральная микросхема считается годными.

Мультиметры (как аналоговые, так и цифровые) используют для проверки целостности p-n-переходов у диодов и транзисторов. Эту операцию называют «прозвонкой».

Проверка исправности диодов заключается в измерении прямого и обратного сопротивления р-n-перехода. Омметр сначала подключают отрицательным щупом к аноду диода, а плюсовым — к катоду. При таком включении р-n-переход диода смещен в обратном направлении и омметр покажет высокое сопротивление, выражаемое мегаомами.

Затем полярность подключения меняют на обратную. Омметр регистрирует низкое прямое сопротивление р-n-перехода. Низкое сопротивление свидетельствует о том, что в обоих направлениях р-n-переход диода пробит. Очень большое сопротивление свидетельствует об обрыве в цепи р-n-перехода.

При «прозвонке» р-n-перехода цифровым мультиметром в него вводится специальный поддиапазон, указанный условно-графическим обозначением полупроводникового диода на переключателе пределов измерения параметров. Рабочее напряжение на щупах в этом режиме соответствует 0,2 В, а ток, проходящий через щупы, не превышает 1 мкА. Таким током невозможно пробить даже самый маломощный полупроводник.

При проверке биполярных транзисторов необходимо помнить, что они имеют два р-n-перехода и «прозваниваются» так же, как диоды. Один щуп подключают к выводу базы, вторым щупом поочередно касаются выводов коллектора и эмиттера. 

При «прозвонке» транзисторов очень удобно пользоваться одной особенностью цифрового мультиметра — при измерении сопротивления максимальное напряжение на его щупах не превышает 0,2 В. Поскольку р-n-переходы кремниевых полупроводников открываются при напряжении более 0,6 В, то в режиме измерения сопротивления цифровым мультиметром p-n-переходы полупроводниковых приборов, припаянных к плате, не открываются. В этом режиме цифровой мультиметр, в отличие от аналогового, измеряет только сопротивление проверяемого прибора. У аналогового мультиметра напряжение на щупах в этом режиме достаточное для открывания р-n-переходов.

Мультиметры некоторых типов позволяют измерять ряд качественных параметров биполярных транзисторов:

h21б (h21э) — коэффициент передачи тока в схеме с общей базой (общим эмиттером),

Iсво — обратный ток коллектора (ток неосновных носителей, тепловой ток),

h22 — выходную проводимость. 

Более результативными при проверке качественных параметров диодов и транзисторов являются специализированные испытатели группы Л2.

Основные параметры, проверяемые испытателями, у диодов и транзисторов разные:

• у выпрямительных диодов — прямое напряжение UKпp и обратный ток IКобр,

• у стабилитронов — напряжение стабилизации Uz,

• у биполярных транзисторов — коэффициент передачи h21, обратный ток коллектора Iсво, выходная проводимость hz2, граничная частота fгр.

Автоматизация измерений

Основные направления автоматизации измерений:

1) разработка средств измерений, в которых все необходимые регулировки выполняются автоматически, либо вообще не требуются;

2) замена косвенных измерений прямыми, и создание многофункциональных комбинированных приборов;

3) разработка панорамных измерительных приборов;

4) применение микропроцессоров (МП) и разработка на их основе приборов со встроенным интеллектом;

5) разработка измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), имеющих в своем составе процессоры с необходимым периферийным оборудованием и программным обеспечением;

6) создание на базе ИВК как универсального ядра информационных измерительных систем (ИИС).

Применение микропроцессоров в измерительных приборах

В измерительных приборах МП выполняет следующие функции:

1) управление процессом измерений, отдельными узлами и прибором в целом;

2) обработка измерительной информации, преобразование результатов измерений и представление их на экране дисплея в различных форматах;

3) автоматическая коррекция систематических погрешностей с использованием математических моделей;

4) расширяет функциональные возможности прибора (например современные цифровые осциллографы помимо временных и амплитудных измерений позволяют измерять частотные параметры, проводить анализ спектров сигналов, статических характеристик и так далее);

5) диагностика неисправностей и самокалибровка.

Измерительно-вычислительные комплексы

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - автоматизированное средство измерений, имеющее в своем составе микропроцессоры (МП) с необходимым периферийным оборудованием, измерительные и вспомогательные устройства, управляемые от МП, и программное обеспечение комплекса.

Номенклатура входящих в ИВК компонентов и определяет конкретную область его применения. Но независимо от области применения ИВК должны выполнять следующие функции:

измерение электрических величин;

управление процессом измерений;

управление воздействиями на объект измерения;

представление оператору результатов измерения в заданной форме.

Для выполнения этих функций ИВК должен обеспечивать восприятие, преобразование и обработку сигналов от первичных измерительных преобразователей (датчиков или приборов), управление ими и другими компонентами, входящими в состав ИВК, а также выработку нормализованных сигналов воздействия на объект измерения, оценку точности измерений и представление результатов измерений в стандартной форме.

ИВК по назначению классифицируются на:

1) типовые - для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний и так далее;

2) специализированные - для решения уникальных задач автоматизации измерений;

3) проблемные - для решения широко распространенной, но специфической задачи автоматизации измерений.

Информационные измерительные системы

Информационно-измерительная система (ИИС) - совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других технических средств, предназначенная для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления в удобном потребителю виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики и идентификации.

В зависимости от назначения и выполняемых функций ИИС делятся:

1) измерительные системы;

2) системы автоматического контроля;

3) технической диагностики.

4) распознавание образцов (идентификации).

Для ИИС характерна не только автоматизация таких процедур как регистрация, сбор и передача результатов измерений, но и проведение измерительного эксперимента при активном воздействии на объект исследования в соответствии с принятым планом. Оператор имеет возможность вмешиваться в ход эксперимента и корректировать его в режиме диалога.

80