Накал активной составляющей (КС) г<г

Счетчик

Скорость счета

Уравнове­

шенная

цепь

н>

/ \

Опорное напряжение

Счетчик

реверсив­

ный

Индикатор

PC

Направление счета

30...500КГЦ

Скорость счета.

Накал реактивной составляющей (рс) Рис. 12.7

активной составляющим управляются двумя реверсивными счет­чиками, направление счета которых определяется знаком фазочув­ствительных детекторов, а скорость счета — частотой следования тактовых импульсов. Частота следования импульсов зависит от амплитуды напряжения фазовых детекторов и изменяется в пре­делах от 30 Гц до 500 кГц, возрастая с увеличением напряжения. По мере приближения к балансу скорость уравновешивания умень­шается. Уравновешивание прекращается при уменьшении напря­жения разбаланса до значения, соответствующего отклонению ре­гулирующего органа от состояния, при котором имеет место рав­новесие, на 0,5 единицы младшего разряда.

Автоматический цифровой измеритель параметров элементов цепей позволяет измерять емкости в пределах от 0,01 пФ до 100 мкФ, индуктивности от 0,1 мкГн до 1000 Гн и сопротивления от 0,001 Ом до 10 МОм на частоте 1000 Гц. Основная погрешность выражается формулой

AQ = 0,001 (1+tgб)Qx+AQo+l ед. сч,

где Q_x — измеряемая величина (L, С или R), AQ₀ — значение по­грешности, независимое от Q_x, AL₀ = 0,1 1мкГн, ДС₀ = 0,01 пф, АЯо=0.

4. РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД

А

Резонансный метод, как отмечалось выше, основан на исполь­зовании резонансных явлений в колебательных контурах. Колеба­тельный контур составляется из образцового и измеряемого эле­ментов. Измеряемый параметр (например, L, С, R, Q) определяется на основе известных зависимостей резонансной частоты, ширины резонансной характеристики и отношения напряжений на актив­ных и реактивных элементах при резонансе от параметров эле­ментов контура.

Резонансный метод измерения параметров элементов электрора­диоцепей применяется на частотах от 1 кГц до 300 МГц и наибо­лее полно реализован в измерителях добротности — куметрах, уни­версальных радиоизмерительных приборах, предназначенных для измерения добротности, индуктивности, собственной емкости и со­противления потерь катушек индуктивности, емкости и угла по­терь конденсаторов, полных сопротивлений пассивных двухполюс­ников, затухания и волнового сопротивления кабеля и ряда дру­гих параметров.

PVZ

Г)

Рис. 12.8

Упрощенные схемы куметров изображены на рис. 12.8. Они со­стоят из измерительного перестраиваемого по частоте генератора ВЧ синусоидальных колебаний, измерительного контура, содержа­щего образцовые и измеряемые элементы, измерителя уровня вход­ного сигнала и измерителя напряжения на емкости измерительно­го контура.

В схеме куметра, показанного на рис. 12.8,а, генератор ВЧ-ко- лебаний создает падение напряжения на образцовом резисторе R₀ малого сопротивления. Уровень выходного сигнала генератора контролируется с помощью термоэлектрического амперметра РА1. Сопротивление резистора R₀ намного меньше активного сопротив­ления измерительного контура R₀«0,04 ... 0,05 Ом, поэтому па­дение напряжения на нем имеет постоянную амплитуду. Этим на­пряжением возбуждается последовательный измерительный кон­тур. Настройка в резонанс осуществляется с помощью образцового конденсатора С₀б_Р и контролируется электронным вольтметром, шкала которого градуируется в значениях Q, поскольку Q можно выразить как отношение напряжения на конденсаторе ко входно- 310

му. Измеренное значение Q будет характеризовать измеряемый элемент, так как собственные потери образцового конденсатора ничтожно малы.

На другой схеме (рис. 12.8,6) показан способ возбуждения из­мерительного контура с помощью емкостного частотно-независимо­го делителя Cl, С2. Для обеспечения постоянства выходного на­пряжения генератора выбирают С/« 0.01С2. Для возбуждения из­мерительного контура применяют также индуктивные делители. Емкость или индуктивность связи является источником системати­ческой погрешности при измерениях. Постоянство уровня напря­жения на входе усилителя контролируется электронным вольтмет­ром.

Если на двух предыдущих схемах показаны последовательные измерительные контуры, то на рис. 12.8,в изображена схема ку- метра с параллельным измерительным контуром. Он позволяет измерять добротность катушек с более высокой точностью, по­скольку отпадает необходимость в измерении абсолютной вели­чины выходного напряжения. При использовании параллельного контура не удается достигнуть независимости напряжения генера­тора от изменений нагрузки. Поэтому применяется уравновеши­вание — последовательная регулировка С1 и С₀б_Р до достижения равенства | | = | U₂\_m- В необходимости уравновешивания состо­

ит недостаток куметра с параллельным контуром. В этом случае

Q=(C1+C_06P)/C1.

Большее распространение получили куметры с последователь­ным измерительным контуром, в котором используется одна регу­лировочная операция — настройка в резонанс. Рассмотрение ку- метров ограничим наиболее распространенной схемой, показанной на рис. 12.8,6. Рассмотрим особенности измерения индуктивности, емкости, добротности и полных сопротивлений.

Представим измеряемую ка­тушку индуктивности и образцо­вый конденсатор последователь­ной эквивалентной схемой, состо­ящей из элементов Ь_э и г_Ьэ, С₀б_Р и г с-

Тогда эквивалентная схема измерительного контура будет иметь вид, показанный на рис.

12.9. Напряжение эквивалентного генератора Е на входе измерительного контура можно записать в виде

Е=Е_ГС1/(С1+С2) ъЕ_гС1/С2.

Выразив суммарную емкость контура, как

⁼ С₀Ц^Р+С2 ~ ^С°^бР(1 “^С°^бр/С2)

и полагая г_Ьэ^>гс, можно получить значения резонансного тока

1р=Е1гьэ и напряжение на образцовом конденсаторе при резонан-

ЭЛЕКТРОРАДИО­ИЗМЕРЕНИЯ 1

Москва «Радио и связь» 1985 2

/(*) = 1 е~ 201 , 17

МаЬЫг;.: 48

^лг;+„(,Л/(,+|)- «МО 198

Kr=V и\ ' (10-4> 324

t/2=^|£n|2[l+|r|2+2|r|cos(?-n/46)], 387

0 = arctg[lin(,p + (w/4)6)1 [sin (ф— (я/4) 6)J 388

Ql = -£~ = (12-3)

* ^rL3^(aV ^кр

где С_Кр = С₀брр(1—С₀брр/С2) — резонансная емкость контура, ■Собр р — резонансное значение емкости образцового конденсатора. Выражение (12.3) можно приближенно записать как

Р ^rLa

=qlu+wc2),

где Q'_l — измеренное значение добротности.

Величина Q' определяется непосредственно по шкале вольт­метра, проградуированного в значениях Q_L. Измеряемая катушка подключается к зажимам а, б.

Систематическая погрешность, обусловленная влиянием дели­теля, равна 6с= (Q'l—Ql) IQl =—С_обр jC2.

В серийных куметрах эта погрешность составляет менее 1%. Конечная добротность образцового конденсатора также является источником систематической погрешности.

Записав активное сопротивление измерительного контура в ви­де суммы г_к=Г1,+Гс, где гь— активное сопротивление катушки ин­дуктивности, тс — активное сопротивление образцового конденса­тора, и разделив обе части на 1 /(о_рС_кр, получаем 1/Q = l/Qx.-j-1/Qc. Образцовые конденсаторы имеют добротность Qc примерно 10⁴.

Поэтому погрешность за счет указанного фактора ничтожна и QzzQ_l. Доминирующей погрешностью является инструменталь­ная погрешность, связанная с измерением напряжения и граду­ировкой вольтметра в единицах Q.

Основная погрешность серийных куметров составляет 3... 5%.

Добротность катушки индуктивности можно измерить с помо­щью образцового конденсатора куметра. Для этого контур настра­ивается в резонанс и по выходному вольтметру отмечается уровень напряжения на образцовом конденсаторе U_2p. Затем, изменяя ем­кость, расстраивают контур до уровня 0,707 U_2p и отмечают со­ответствующие значения емкости на шкале образцового конденса­тора.

Пренебрегая влиянием делителя, можно записать Ql⁼(C1-(- -\-С2)1(С1—С2). Погрешность измерения добротности обусловле­на погрешностью измерения С1 и С2, включающей погрешность из- за неточности индикации уровня [формула (2.7)], погрешность градуировки шкалы образцового конденсатора и погрешность от­счета емкости по шкале образцового конденсатора.

Для измерения индуктивности катушки ее вводят в контур, подключая к зажимам а и б. Настраивая контур в резонанс и от- 312

мечая значения емкости образцового конденсатора, индуктивность рассчитывают по формуле

L = 1/С_обр р(о²_р. (12.4)

Часто на фиксированных частотах на шкале образцового конден­сатора наносят шкалу индуктивности.

Если катушка имеет собственную емкость, то выражение (12.4) дает эквивалентные значения индуктивности Ь_э.

Поскольку L₃=L/1—(го/юо)², где шо — собственная резонансная частота, то, выражая to_P и (о₀ через параметры контура, можно получить

^L=s * <Г ¹ '1C ч . (¹²-б)

со р (С₀бр р + C_L)

где C_L — собственная емкость катушки.

Таким образом, чтобы определить индуктивность катушки, на­до знать ее собственную емкость C_L.

Для определения C_L уравнение (12.5) разрешают относитель­но 1/(о²_р. Зависимость 1/(о² = ф(С₀брр) представляет собой прямую линию, отсекающую на оси С отрезок Cl, а на оси 1/л>²_Р — отре­зок 1/(о²₀. Для построения графика надо иметь, по крайней мере, две точки, соответствующие двум частотам. Собственная емкость может быть вычислена из (12.5), если на двух частотах (oi_P и (о₂р измерить резонансные значения емкости С⁽¹>₀б_{Р Р} и С<²⁾₀б_{Р Р}: r(i) ьг⁽²⁾

Cl = —_где й = _(0р2/_(0рЬ обычно k^.2. k*— 1

Погрешность измерения индуктивности определяется по прави­лам определения погрешности косвенного измерения. Частными погрешностями выступают погрешность определения (установки) частоты и погрешность определения резонансной емкости измери­тельного контура. Погрешность определения резонансной емкости измерительного контура определяется погрешностью градуировки шкалы образцового конденсатора, погрешностью отсчета и погреш­ностью, обусловленной настройкой в резонанс. Погрешность изме­рения индуктивности в последовательной схеме замещения состав­ляет единицы процентов.

Куметр применяют также для измерения полного сопротивле­ния пассивных двухполюсников на радиочастотах, которые пред­ставляются последовательной либо параллельной эквивалентной схемой. Последовательная схема соответствует малым сопротивле­ниям (т. е. малым индуктивностям и большим емкостям), а па­раллельная — большим сопротивлениям (большим индуктивностям и малым емкостям).

Серийные куметры перекрывают диапазон частот 1 кГц... ...300 МГц: Е4-10 (1 ... 100 кГц), Е4-7 (50 кГц ... 35 МГц), Е4-11 (30...300 МГц). Электрическая схема куметра Е4-10 соответству­ет схеме рис. 12.8,а, Е4-7 и Е4-11 — рис. 12.8,6. Пределы измерения добротности 5... 1000, а погрешность не превышает 6... 8%.

Генераторный метод основан на изменении частоты генерато­ра при включении в измерительный контур измеряемых емкости или индуктивности.

На рис. 12.10 показана структурная схема прибора, в котором реализован генераторный метод.

Схема имеет два идентичных ВЧ-генератора Gl, G2. В контур первого из них включены образцовые конденсаторы переменной емкости (КПЕ) с достаточно большими пределами изменения. В контур генератора G2 последовательно с катушкой индуктивности, значение которой может изменяться, включают измеряемую ка­тушку (зажимы L_x). Если же измеряется емкость, то зажимы L_x замыкают накоротко, а конденсатор, емкость которого измеряют, дключают параллельно контуру генератора G2 (зажимы С_х).

Рассмотрим работу схемы на примере измерения индуктивно­сти. До включения измеряемой катушки Ь_х оба генератора настра­иваются на одинаковую частоту. Равенство частот генераторов фиксируется по нулевым биениям, для чего предусмотрены смеси­тель U1 и фильтр нижних частот Z1. Усиленное напряжение ну­левых биений индицируется с помощью телефонов В1 или магни­тоэлектрического прибора РА1.

После включения измеряемой катушки в контур генератор-а G2, частота его изменяется и разностная частота двух генераторов не проходит через ФНЧ. Перестраивая частоту первого генератора с помощью образцового КПЕ, вновь добиваются равенства частот генераторов. Изменения емкости образцового КПЕ однозначно оп­ределяют измеряемую индуктивность.

Образцовый конденсатор устанавливают сначала на условный нуль. Тогда при вторичном получении нулевых биений измеряемое значение индуктивности можно отсчитать по отдельной шкале об­разцового конденсатора. При измерении емкости отсчет произво­дится по обычной шкале образцового конденсатора. На основе ге­нераторного метода создан серийный прибор для измерения ма­лых индуктивностей и емкостей Е7-5А в диапазоне частот 314

11 кГц... 1,6 МГц с основной погрешностью d_L= ± (1,5L_X+0,4L) %, где L — верхний предел шкалы прибора для индуктивности, и б_с= = ±(0,05С«+0,05С)%.

Для повышения точности измерений при измерении малых ве­личин L_x и С_х в качестве индикатора используют электронно-счет­ный частотомер.

6. МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

Метод дискретного счета при измерении параметров элементов электрорадиоцепей состоит в аналоговом преобразовании измеря­емого параметра во временной интервал и последующем его изме­рении методом дискретного счета.

Измерительное преобразование осуществляется на основе как апериодического, так и колебательного разряда конденсатора. Рас­смотрим особенности преобразователей.

Использование апериодического разряда конденсатора. Прин­цип действия преобразователя основан на определении постоян­ной времени цепи разряда конденсатора емкостью С через рези­стор сопротивлением R. В качестве образцового элемента выбира­ют либо конденсатор, либо резистор.

Заметим, что метод реализуется также при подключении ка­тушки индуктивности к образцовому резистору. Следовательно, метод может быть применен для измерения С, L и R.

Структурная схема электронно-счетного измерителя емкости (рис. 12.11,а) состоит из двух основных частей: измерительного

к*	Цифровой
	измори /770/70
	интервалов
	времени

^преобразователя емкости в интервал времени, равный постоянной времени цепи разряда измеряемого конденсатора, и измерителя интервалов времени.

В исходном положении электронный ключ S1 находится в по­ложении /, а конденсатор С_х заряжен до напряжения Е стабили­зированного источника постоянного напряжения.

Начало измерений t\ задается управляющим устройством: оно вырабатывает импульс, который переводит электронный ключ в положение 2, сбрасывает показания электронного счетчика на нуль и подается в качестве стартового импульса на измеритель интер­вала времени. Разряд конденсатора С_х происходит через резистор Яобр по экспоненциальному закону

(12.6)

В момент времени t₂ напряжение и_с будет равно опорному на­пряжению Е₀. На выходе устройства сравнения появится интер­вальный импульс и_к. Если обозначить t₂—t\ = T_x, то выражая из ,(12.6) значение С_х, получаем

С_х== Ъа .

Ro6tp Е/Е₀

Если же Е₀=Е/е, то Т_х=х_х, где х_х — постоянная времени раз­ряда, и

-С_х ~X_x/Ro6p'

Таким образом, измерение емкости сводится к измерению вре­менного интервала, равного постоянной времени разряда.

Погрешность измерения С_х содержит следующие составля­ющие: погрешность преобразования С_х, R_x во временной интервал, обусловленная, главным образом, нестабильностью порогового уровня срабатывания устройства сравнения 6_Х; погрешность, с ко­торой известна величина образцового сопротивления 6д, и погреш­ность цифрового измерителя бт-