Sb94859

отдельных приборов или в составе комбинированных универсальных приборов, предназначенных также для измерений токов и напряжений. Наиболее точные из этих приборов имеют класс точности 1,0…1,5.

Измерение малых сопротивлений. Сопротивления в диапазоне от единиц ом до 10–8 Ом измеряют мостами постоянного тока и электронными миллиомметрами. В этом случае существенное влияние на результат измерения оказывают сопротивления контактов и подводящих проводов, а также контактная термоЭДС. Для уменьшения этого влияния применяют четырехзажимную схему подключения исследуемого объекта к приборам, а измерения производят при разных направлениях постоянного тока (в мостах) или на переменном токе (в электронных миллиомметрах).

Наиболее точными в данном диапазоне являются двойные мосты. При измерении очень малых сопротивлений для обеспечения необходимой чувствительности моста требуется через исследуемый объект пропускать большие токи. Так, при измерении мостом Р3009 в диапазоне 10–8…10–6 Ом питание моста осуществляется током 200 А, при измерении сопротивлений 10–6…10–5 Ом – током 15 А. Это ограничивает область его применения.

Измерение малых сопротивлений одинарными мостами производят в более узком диапазоне – начиная с 10–4 Ом. Точность измерения такими мостами малых сопротивлений ниже точности измерения двойными.

В электронных миллиомметрах измерения производятся на переменном токе, что позволяет значительно снизить мощность, выделяемую на объекте измерений. Обычно напряжение на исследуемом объекте составляет десятки милливольт.

Измерение больших сопротивлений. При измерении сопротивлений,

больших 106…108 Ом, применяют одинарные мосты постоянного тока, электронные тераомметры (мегаомметры), цифровые омметры и магнитоэлектрические мегаомметры. Сложность измерения больших сопротивлений определяется, прежде всего, шунтирующим влиянием сопротивления изоляции между входными зажимами приборов, которое при изготовлении и дестабилизирующем влиянии внешних факторов (температуры, влажности, загрязнения и др.) не может быть обеспечено постоянным.

Кроме того, токи, протекающие через объекты с большим сопротивлением, становятся весьма малыми, что предъявляет высокие требования к чувствительности средств измерений. В связи с этим

21

приходится повышать напряжение на исследуемом объекте до сотен и даже тысяч вольт. Это предъявляет соответствующие требования к измеряемым объектам.

Для измерения таких сопротивлений с наибольшей точностью применяют одинарные мосты постоянного тока. Верхние пределы измерений таких мостов равны 1015 Ом (Р4056), 1016 Ом (Р4053). Цифровые омметры (Щ300) существенно уступают мостам по верхнему пределу измерений (1012 Ом) и по точности. Широкий диапазон измерений имеют электронные тераомметры – до 1017 Ом (Е6-13А, Е6-14); погрешности измерений этих приборов составляют единицы процентов. Наиболее простыми являются магнитоэлектрические мегаомметры, построенные на основе логометрического механизма. Диапазон измерений таких приборов весьма узок (105…109 Ом).

Косвенные измерения. Наиболее распространенным является способ амперметра и вольтметра (рис. 2.3). Этот способ может применяться для измерения различных по значению сопротивлений.

Рис. 2.3

Достоинство этого способа заключается в том, что через резистор можно пропускать такой же ток, как и ток, который протекает через объект в рабочих условиях, что важно при измерении нелинейных сопротивлений, т. е. таких сопротивлений, значения которых зависят от тока.

Значение сопротивления можно определить по закону Ома: R'x ≈ U/I. Однако при этом возникает погрешность за счет шунтирующего влияния вольтметра (рис. 2.3, а) и внутреннего сопротивления амперметра (рис. 2.3, б). Действительные значения сопротивления таковы:

для схемы рис. 2.3, а: Rx U Ix U I IV U I URV ; для схемы рис. 2.3, б: Rx U IxRA Ix .

Погрешности при определении значений сопротивления по формуле

22

R'x ≈ U/I равны соответственно Rx Rx RV и RA Rx .

Отсюда следует, что схема рис. 2.3, а предпочтительна для измерения относительно малых сопротивлений, а схема рис. 2.3, б – относительно больших сопротивлений. В тех случаях, когда требуется точное определение сопротивления, следует пользоваться приведенными формулами.

Способ амперметра и вольтметра может быть использован и для измерения очень больших сопротивлений, например сопротивления изоляционных материалов. Технические условия и стандарты на различные электроизоляционные материалы предъявляют определенные требования к допустимым значениям удельного объемного и поверхностного сопротивлений.

На рис. 2.3, в приведена схема для измерения объемного сопротивления образца О листового материала. Образец помещают между двумя металлическими электродами А и Б. Электрод А находится внутри так называемого охранного кольца В. Поверхностные токи на образце отводятся охранным кольцом непосредственно к источнику питания, минуя гальванометр. Через гальванометр протекает только «объемный» ток, и, следовательно, подсчитанное сопротивление будет объемным. Если проводники, идущие от гальванометра к точкам c и d , поменять местами, то можно определить поверхностное сопротивление.

Для точных измерений сопротивлений и для измерений нелинейных сопротивлений могут быть использованы схемы, основанные на методе сравнения (замещения) (рис. 1.3).

Измерение емкости, тангенса угла потерь, индуктивности, добротности и взаимной индуктивности. Диапазоны измерений емкости С и индуктивности L средствами измерений, выпускаемыми промышленностью, весьма широки и составляют ориентировочно для емкости 10–8…104 мкФ и для индуктивности 10–7…103 Гн. Точность измерений существенно зависит от средств измерений и от значений измеряемых С и L.

Прямые измерения. Для измерения емкости и индуктивности наибольшее распространение получили мосты переменного тока с ручным уравновешиванием, цифровые мосты, куметры, приборы, работа которых основана на резонансном методе с индикацией нулевых биений, комбинированные приборы и некоторые другие.

Наиболее точными приборами для измерения С и L являются мосты переменного тока. Имеются специальные мосты переменного тока,

23

предназначенные для измерения (поверки) емкости образцовых конденсаторов и индуктивности образцовых катушек. Погрешности таких мостов могут составлять тысячные доли процента.

Мосты переменного тока широкого применения имеют классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0. Кроме основных параметров С и L, мосты предназначены также для измерения тангенса угла потерь tg конденсаторов и добротности Q катушек. Одним из наиболее точных мостов является мост типа Р571М, имеющий класс точности 0,1 и диапазоны измерений: емкости – 10…109 пФ, индуктивности – 10–6…103 Гн, тангенса угла потерь – 10–3…1, добротности – 4,5…200. Основная погрешность мостов не должна превышать

моста; С – емкость, пФ; L – индуктивность, мкГн. Погрешности измерений tg и Q также зависят от класса точности и составляют единицы и десятки процентов.

Наибольшую сложность представляет измерение малых емкостей и индуктивностей, что обусловлено влиянием паразитных реактивных параметров, токов утечки и других факторов. При этом приходится переходить на относительно высокие частоты питания моста, что еще больше усиливает влияние паразитных параметров.

Высокую точность измерения имеют цифровые мосты, близкие по точности к мостам с ручным уравновешиванием. Автоматизация процесса измерения и наличие кодового выхода делают их более удобными в эксплуатации. Один из наиболее точных цифровых мостов Р5016 имеет диапазоны измерений: для С – 10–6…102 мкФ, для L – 10–7…102 Гн, для tg – 10–4…1.

Минимальная погрешность измерения С, равная ±0,02 %, достигается в диапазоне 10–2…10–1 мкФ, а погрешность измерения L, равная ±0,05 %, – в диапазоне 0,01…1 Гн на частоте 1 кГц. Эти погрешности существенно возрастают при измерении в других диапазонах и на других частотах.

На повышенных частотах параметры С, L, tg , Q можно измерять куметрами (измерителями добротности) и измерителями, работа которых основана на резонансном методе с индикацией нулевых биений. Наиболее точным и относительно низкочастотным является измеритель типа Е7-9,

24

3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

3.1. Общие сведения

Современные средства измерений позволяют непосредственно измерять более двухсот различных физических величин [3]. При этом подавляющее число физических величин, которые необходимо измерять, являются неэлектрическими. Измерительные преобразователи (ИП) неэлектрических величин в электрические величины по выходному сигналу разделяют на параметрические и генераторные.

Выходной величиной параметрических преобразователей является тот или иной параметр электрической цепи. Характерная особенность параметрических преобразователей – обязательное наличие дополнительного источника энергии, так как сами параметры R, L, C, M – пассивные и не могут восприниматься последующими звеньями измерительной цепи непосредственно.

Выходной величиной генераторных преобразователей являются ЭДС или заряд, функционально связанные с преобразуемой неэлектрической величиной. В этих преобразователях используется энергия объекта, параметры которого преобразуются, т. е. в этом случае часто нет необходимости в дополнительном источнике энергии, что является преимуществом генераторных преобразователей.

3.2.Параметрические измерительные преобразователи

Кэтому классу преобразователей относятся термочувствительные резистивные ИП, реостатные ИП, тензочувствительные ИП, индуктивные и емкостные ИП и некоторые другие. Рассмотрим принцип действия и особенности наиболее часто встречающихся ИП, начиная с термочувствительных ИП, занимающих первое место по числу таких преобразователей.

3.2.1. Термочувствительные резистивные преобразователи

Принцип действия термочувствительных резистивных преобразователей, называемых часто терморезисторами (ТР), основан на зависимости электрического сопротивления проводника (или полупроводника) от температуры. Для получения информации о

26

сопротивлении ИП через терморезистор необходимо пропустить электрический ток, который выделяет в ТР тепло. Происходит теплообмен между преобразователем и средой, и сопротивление ТР определяется

протекающего по нему тока; Q1 – количество тепла, отдаваемое через конвекцию, т. е. переносом тепла перемещающихся слоев среды под влиянием их различных температур; Q2 – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность среды; Q3 – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность самого ТР; Q4 – количество тепла, отдаваемое через излучение.

Интенсивность теплообмена определяется геометрическими размерами и формой ТР, состоянием его поверхности, а также физическими свойствами окружающей среды (вязкостью, плотностью, теплопроводностью), скоростью движения среды и ее температурой. Зависимости интенсивности теплообмена от свойств и характеристик среды положены в основу построения средств измерений различных параметров среды. При создании ИП той или иной величины следует стремиться к тому, чтобы все факторы, за исключением преобразуемой величины, как можно меньше влияли на температуру ТР при тепловом равновесии. Во всех случаях стремятся уменьшить потери тепла через теплопроводность самого ТР (Q3 ) и на

излучение ( Q4 ).

Термочувствительные преобразователи делятся на преобразователи без преднамеренного перегрева и перегревные, т. е. с относительно малым и большим токами, пропускаемыми через ТР. В преобразователях с малым током температура ТР в основном определяется температурой окружающей среды. Такие ИП используются для создания термометров сопротивления, т. е. приборов, измеряющих температуру окружающей среды.

В преобразователях с преднамеренным перегревом плотность тока в ТР такова, что температура ТР значительно превосходит окружающую и практически не зависит от нее. При тепловом равновесии температура ТР определяется параметрами среды (скоростью, плотностью и т. д.), поэтому такие ТР нашли применение в различных средствах измерений для анализа физико-химических свойств среды.

27

В качестве термочувствительных преобразователей в настоящее время используются металлические и полупроводниковые ТР. К металлическим ТР предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики и ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготавливаемых ТР. Помимо основных требований желателен высокий температурный коэффициент электрического сопротивления при одновременно высоком удельном сопротивлении материала ТР. Установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным требованиям. Металлы имеют положительный температурный коэффициент в пределах 4 10–3…6 10–3 К–1.

Для изготовления стандартных ТР в настоящее время применяют платину и медь (в редких случаях – никель). Платина является наилучшим материалом для ТР, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах и имеет достаточно высокое удельное сопротивление (0,1 10–6 Ом∙м). Следует, правда, иметь в виду, что в восстановительной среде платину применять нельзя (т. к. происходит загрязнение платины парами кремния, натрия, калия и т. п.). Недостатком платины является ее высокая стоимость. Стандартные платиновые ТР используются для измерения температуры в диапазоне –260…1100 ºC.

Недостатком платиновых ТР, применяемых для измерения температуры в указанном диапазоне, кроме высокой стоимости, является нелинейность функции преобразования. Существует градуировочная таблица, в которой приведена статическая характеристика преобразования. Функция преобразования для диапазона отрицательных температур (от –200 ºC) имеет

Стандартные ТР из меди применяются для измерения в более узком температурном диапазоне от –200 до 200 ºC. Объясняется это тем, что при более высоких температурах медь легко окисляется, и ТР меняет свои

28

Кроме металлических ТР получили распространение полупроводниковые ТР, которые применяются для измерения температуры от –100 до 300 ºC. В качестве материалов для них используются различные полупроводники – оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводниковых ТР, так называемых термисторов, является их большой температурный коэффициент сопротивления (в отличие от металлических ТР – в основном отрицательный).

Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому могут выполняться очень малых размеров при заданном номинальном сопротивлении.

Недостатками полупроводниковых ТР являются значительная нелинейность характеристики преобразования и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. В связи с этим полупроводниковые ТР даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

3.2.2. Реостатные преобразователи

Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входного перемещения. Преобразователь представляет собой реостат, подвижный контакт (движок) которого перемещается под действием измеряемой (преобразуемой) величины. Такие преобразователи бывают каркасные и реохордные.

Наиболее распространены каркасные преобразователи, в которых тонкая проволока из материала с высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом намотана на каркас из текстолита, пластмассы или алюминия, покрытого тонкой оксидной пленкой. Изменение выходного параметра преобразователя R происходит посредством перемещения движка. Форма каркаса может быть различной. Материал проволоки должен быть устойчивым к истиранию. Обычно используются сплавы константан, фехраль, а при повышенных температурах – нихром. Поверхность проволоки, по которой скользит движок, освобождается от изоляции и полируется.

Каркасные реостатные ИП имеют ступенчатый характер изменения выходного параметра R от входного преобразуемого перемещения x. Это

29

вызывает погрешность преобразования, погрешность дискретности, максимальное значение которой (в процентах) определяется по формуле:Д 100 Rmax Rпр 100w, где Rmax – максимальное сопротивление одного витка; Rпр – полное сопротивление преобразователя; w – число

витков обмотки ИП. Погрешность дискретности современных реостатных преобразователей лежит в пределах ±(0,05…0,5) %. Порог чувствительности этих ИП 0,1…0,5 мм при линейном и 0,2...2º при угловом перемещении [4].

В реохордных реостатных ИП погрешность дискретности отсутствует. В этих преобразователях для увеличения хода движка и полного сопротивления высокоомная проволока располагается по спирали (геликоидальные ИП).

Наличие подвижного контакта ограничивает динамические свойства реостатных ИП, которые обычно используются для преобразования медленно меняющихся перемещений или других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (давление, усилие, уровень и т. д.).

3.2.3. Тензочувствительные преобразователи

Принцип действия тензочувствительных преобразователей основан на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения.

Используя для сопротивления проволоки зависимость R ρl / s , где ρ – удельное сопротивление; l – длина; s – площадь поперечного сечения проволоки, можно получить выражение для относительного изменения сопротивления проволоки в виде [4]:

изменение длины провода под действием деформации. Разделив обе части

30