Измерение параметров электро- и радиоцепей

Электро- и радиотехнические цепи характеризуются такими основными параметрами, как емкость, индуктивность, активное сопротивление или проводимость. Для более полной характеристики испытуемых изделий измеряют ряд вторичных параметров: добротность, коэффициенты связи или рассеяния, собственную емкость катушек или характеристическое сопротивление и т. п. Характерной особенностью многих из указанных измерений является зависимость их результатов от частоты подведенного напряжения, внешних условий, способов включения, что заставляет строго определять режимы измерений. В зависимости от частотного диапазона и геометрических размеров элементов можно говорить об измерении параметров цепей с сосредоточенными и распределенными постоянными.

Для измерения параметров цепей применяют электромеханические приборы непосредственной оценки, мостовые и резонансные методы, косвенный метод вольтметра-амперметра, цифровые приборы. Значи­тельные особенности имеют измерения параметров цепей на сверхвы­соких частотах (СВЧ). Выбор того или иного метода измерения или прибора зависит от условий измерений, частотного диапазона, требуе­мой точности, имеющихся в наличии приборов и т. п.

Электрическое сопротивление постоянному току является пара­метром резисторов, показателем исправности многих электро- и радиоцепей, соединений, заземления и т. д. Измеряется в пределах от долей ома до десятков мегом.

Катушка индуктивности. Основным параметром, характеризующим катушки контуров, дроссели, обмотки трансформаторов, является индуктивность. В высокочастотных цепях применяют катушки с индуктивностью от сотых долей микрогенри до десятков миллигенри; в низкочастотных цепях индуктивности могут иметь значения до сотен генри. Катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной емкостью С_L, и активным сопротивлением R_L. Собственные емкость и сопротивление катушки распределены по длине катушки, но условно их можно представить сосредоточенными (рис. 9.1).

Собственная емкость катушки оказывает влияние на измеряемые параметры. При измерении определяются не истинные значения индуктивности L и добротности Q, а их действующие значения. Эквивалентная схема катушки изображена на рис. 9.2, а истинные и действующие значения связаны следующими соотношениями:

Конденсаторы. Основными параметрами конденсаторов являются электрическая емкость и угол потерь. В радиотехнической практике применяются конденсаторы различных типов со значениями емкостей от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Эквивалентную схему конденсатора условно представляют в двух вариантах (рис. 9.3, а и б).

При переходе от одной эквивалентной схемы к другой можно воспользоваться следующими формулами пересчета:

при tg1 тоді С=С=С

R_y=R_пtg²=1/(C)²R_п

Электромеханические приборы непосредственной оценки

Омметры. Омметром называют прямопоказывающий прибор для измерения электрического сопротивления на постоянном токе.

Д ействие омметра основано на применении закона Ома: измеряется падение напряжения на неизвестном сопротивлении при заданном токе или измеряется ток через неизвестное сопротивление при определенном напряжении. В простейших омметрах в качестве отсчетного устройства используется магнитоэлектрический механизм достаточной чувствительности (ток полного отклонения І_к=50...100 мкА). Различают омметры с последовательным и параллельным включением измеряемого сопротивления. Принципиальная электрическая схема омметра последовательного типа изображена на рис. 9.4. При коротком замыкании выводов А и В переменным резистором R_доб устанавливают в цепи такой ток, чтобы стрелка прибора РА1 отклонилась на всю шкалу. Это  «нуль омметра». При присоединении к выводам АВ измеряемого сопротивления R_x установленный ранее ток уменьшится, и стрелка прибора займет другое положение. Ток, проходящий в этом случае через прибор РА1, определяется выражением

де

Если обозначить относительную величину отклонения стрелки прибора =I/I_k, а отношение измеряемого сопротивления к внутреннему сопротивлению омметра через А=Rx/R_ом, то выражение =1/(1+А) определит уравнение шкалы омметра (рис. 9.5). Из приведенного выражения видно, что при бесконечно большом сопротивлении R_x (разрыв цепи) А∞, 0, ток равен нулю и стрелка прибора не отклоняется. Это положение стрелки на шкале отмечается знаком ∞. То, что на шкале рассматриваемого омметра имеются отметки 0 и ∞, не означает, что им можно измерять любое сопротивление. Шкала прибора по краям сильно сжата и практически используется лишь ее средняя часть. Середина шкалы омметра соответствует его входному сопротивлению (при R_x=R_ом, =0,5). Это сопротивление и определяет пределы сопротивлений, измеряемых прибором. Обычно R_x лежит в пределах от 0,01 R_ом до 100 R_ом. Если задан верхний и нижний пределы измерения сопротивления по данной шкале омметра, то его внутреннее сопротивление .

Используя уравнение шкалы омметра можно определить погрешность измерений:

где k  относительная приведенная погрешность (класс точности прибора РА1).

На рис. 9.6 построен график зависимости _R от относительной величины измеряемого сопротивления. Из графика видно, что при измерительном приборе класса точности 1,0 наименьшая погрешность в центре шкалы 4 %, а на краях она резко возрастает.

Измеряемое сопротивление может включаться не только последовательно, но и параллельно микроамперметру (рис. 9.7). В этом случае шкала прибора получается не обратной, а прямой: «нуль»  слева, а «∞»  справа, но попрежнему нелинейной. Ток через прибор РА1:

Приняв во внимание, что общий ток в цепи / то можно получить

Омметрами с прямой шкалой удобнее измерять сопротивления, соизмеримые с внутренним сопротивлением r_вн прибора, т. е. меньшие чем омметрами с обратной шкалой.

Для расширения диапазона измерений применяют многопредельные омметры. Для этого изменяют значение сопротивления R_доб в 10, 100, 1000 раз. К многопредельным относятся М218, М371, а также омметры, входящие в состав универсальных приборов. При измерении больших сопротивлений приходится увеличивать напряжение питания.

От стабильности источника питания в значительной мере зависит и точность измерения сопротивления омметром, однако гальванические элементы (наиболее часто используемый источник питания в омметрах) достаточно быстро разряжается.

Примером прямопоказывающего прибора для измерения сопротивлений является омметр на базе логометра. Схема омметра с логометрическим измерительным механизмом приведена на рис. 9.8.

При отсутствии тока в рамках механизма подвижная система логометра находится в состоянии безразличного равновесия, так как возвратная пружина в логометрическом механизме отсутствует. Цепи питания обеих рамок подключают к одному источнику питания (батарея, выпрямитель, ручной генератор-индуктор). Положение подвижной части механизма определяется отношением токов в рамках

где r_вн  внутреннее сопротивление рамок; R_х, R₀  соответственно измеряемое и образцовое сопротивления. Угол отклонения стрелки омметра не зависит от напряжения питания (конечно, в известных пределах, так как источник питания должен обеспечить протекание определенного тока через обмотки).

По этой же причине и нестабильность источника питания не оказывает влияния на показания омметров, выполненных на базе логометра. Примером омметра рассмотренного типа может служить логометр М1101 с диапазоном измерений сопротивлений 0,2 ... 200 МОм с погрешностью 6 = ±1 %.

Электронные омметры и мегаометры. Любой электронный вольт­метр постоянного тока можно применить для измерения сопротивления