Глава 5. Средства и методы измерения параметров цепей

5.1. Мостовые методы

Основными параметрами цепей с сосредоточенными постоянными являются активное сопротивление, емкость и индуктивность. При этом на измеряемый элемент подаётся электрический сигнал и по отклику на выходе судят о величине параметра цепи или среды, по которой проходит сигнал. При измерении этих параметров используют мостовые и резонансные методы, а также методы, основанные на преобразовании измеряемого параметра в напряжение, ток или временной интервал.

При мостовом методе измеряемый элемент вводят в одно из плеч сбалансированного четырехплечего или более сложного моста, что приводит к нарушению баланса. Метод применяется в широком диапазоне частот вплоть до 10 МГц, в этом случае используют шестиплечие мосты.

Катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы помимо основного параметра (индуктивности, емкости и сопротивления) характеризуются еще некоторыми паразитными параметрами. С учетом этих параметров катушку, конденсатор можно характеризовать некоторыми эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением, которые зависят от частоты, поэтому эквивалентные параметры необходимо измерять на рабочей частоте.

Для измерения параметров L, С,R. широко применяют методы, основанные на свойствах мостовых схем. Упрощенные схемы измерителя с четырехплечим мостом приведена на рис. 5-1. К диагонали моста подведено напряжение от генератора. Инди­катор регистрирует напряжение, возникающее в другой диагонали моста. Искомое полное сопротивление вводят в одно из плеч моста. Затем мост балансируют, изменяя сопротивления остальных плеч. Состояние баланса фиксируется по нулевому показанию индикатора. Условием баланса моста является соотношение (нулевой метод)

|Z₁|·|Z₄| = |Z₂|·|Z₃| (22)

φ₁ + φ₄ = φ₂ + φ₃

Из этого уравнения определяется измеряемое сопротивление.

Для балансирования моста необходимо изменять как модуль, так и фазу по крайней мере одного из сопротивлений, т. е. иметь не менее двух регулируемых элементов. Для большинства применяемых мостов осуществить раздельную регулировку модуля и фазы не удается. Балансировка моста производится методом последовательных приближений: поочередно регулируют каждый из элементов до получения минимального показания индикаторного прибора. Эти операции повторяют многократно, пока индикаторный прибор, не зафиксирует нулевое показание, соответствующее балансу моста. Минимально необходимое число операций при балансировке характеризует сходимость моста. Сходимость зависит от сопротивлений плеч моста, а также от чувствительности и типа применяемого индикатора, если индикатор моста выполнен на основе магнитоэлектрического прибора с детектором, то по отклонению стрелки можно судить лишь об амплитуде напряжения в диагонали моста. Значительно удобнее индикатор с ЭЛТ. На одну пару отклоняющих пластин подают некоторое опорное напряжение, а на другую - напряжение в диагонали. При таком способе индикации можно судить об изменении как модуля, так и фазы напряжения, что позволяет ускорить процесс балансировки. Вместо нулевого метода при разбраковке элементов используют разностный метод, когда отклонение от номинального значения измеряют предварительно отградуированным индикатором.

Разработаны и выпускаются автоматические мосты для измерения сопротивлений, емкостей и индуктивностей с представлением результата измерения в цифровой форме. Такие приборы имеют цепи обратной связи, через которые уравновешиванием осуществляется балансировка моста по сигналу фазочувствительных детекторов, включенных в индикаторную диагональ, при автоматическом последовательном наборе эталонных сопротивлений. Этот же метод применяется в самопишущих приборах для регистрации параметров цепей в аналоговых мостах.

Рис. 5.1. Схемы мостов

а-- мост для измерения сопротивлений; б-- мост Соти для измерения емкостей;

в-- мост Максвелла для измерения индуктивностей

Уравновешивание цифрового моста осуществляется переключением эталоннных сопротивлений в плечах при помощи электронных ключей.

Последние управляются фазовым детектором через блок Упр. У сигналом разбаланса моста. После приведения моста в равновесие состояние электронных ключей соответствует значению измеряемого сопротивления в двоичном коде, которое запоминается в памяти и отображается на цифровом индикаторном табло по двум параметрам. Набор эталонов содержит сопротивления, которые подключаются последовательно во времени коммутатором уменьшаясь по закону двоичного кода.

Генератор СхФазовый

детектор

Мост

Упр. У.

Эталоны Коммутатор

Память

Индикатор

Рис.5.2. Цифровой мост

Уравновешивание моста переменного тока осуществляется последовательно по двум составляющим раздельно. Если значение измеряемого параметра меньше эталонного, то эталон отключается и в память данного разряда записывается 0. Если измеряемый параметр больше эталонного, это значение суммируется с значением следующего меньшего разряда, а в память данного разряда записывается 1 .Одним из вариантов работы является поочередное получение минимального значения выходного напряжения моста по каждой составляющей. Измерение индуктивности и емкости выполняется на частоте 1000Гц с погрешностью 0,2 и 0,1 % соответственно. Время измерения составляет 0.03 - 2 с. Метод уравновешивающего преобразования при последовательном подборе напряжений в цепи обратной связи рассмотрен ранее (см. раздел 2.15).