книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие

Глава 8

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

§ 8-1. Методы измерения

Основными параметрами цепей с сосредоточенными постоянными являются сопротивления резисторов; емкость конденсаторов; тангенс угла потерь конденсаторов; индуктивность катушки; добротность катушки; взаимоиндуктивность двух катушек.

Контроль и измерение электрических параметров вызваны необхо­ димостью отбора отдельных элементов при создании и испытании различных ’ радиоэлектронных устройств. Каждый год появляются новые материалы, из которых изготавливают резисторы, конденсаторы, катушки. Потребность в приборах с различными

измеренные приборами. Этим методом пользуются при измерении на частоте 50 Гц или на звуковых частотах. Метод амперметра и вольт­ метра может быть использован также для измерения R, L, С, если только сопротивление измеряемого элемента можно считать либо активным, либо реактивным, т. е. R = U/I или хс = 1 /(соС) = £///.

Погрешность измерения данным методом составляет величину 0,5— 1,0% при использовании приборов класса 0,2 или 0,5, при измерении же приборами невысокого класса точности — 5—10%.

Разновидностью метода амперметра и вольтметра является метод

152

или U0 на одном из сопротивлений схемы, можно судить о величине сопротивления Rx.

Метод одного амперметра реализуется в схеме электромеханиче­

в использовании зависимости резонансной частоты колебательного контура от его индуктивности и емкости:

На низких частотах резонанс проявляется менее резко, поэтому измерения выполняются на высокой частоте.

Резонансный прибор состоит из генератора высокой частоты ГВЧ, измерительного колебательного контура и индикатора резонанса — электронного вольтметра (рис. 8-2).

В качестве индикатора резонанса можно использовать электрон­ ный вольтметр с большим входным сопротивлением, показания кото­ рого в момент резонанса максимальны. Из (8-4) следует, что если измеряемую катушку индуктивности включить параллельно образцо­ вому конденсатору и измерять резонансную частоту, то индуктив­ ность Lv можно получить из формулы (8-4). Так же можно определить искомую емкость Сх, включив ее параллельно с образцовой катушкой индуктивности. Чтобы исключить влияние паразитных параметров

нанса), резонансный метод применяют в сочетании с методом замещения. В этом случае изме­ рения выполняют дважды.

Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности L и образцовой емкости С0, настраивают в резонанс на частоту при этой фиксируют значения f0и емкости конденсатора Со1. Затем параллельно образцовому конденсатору С0 подключают конденсатор Сх (рис. 8-3) и изменением (уменьшением) емкости образцового конденсатора доби­ ваются резонанса при той же частоте /0; соответствующее значение

153

емкости будет Со2. Таким образом, изменением образцовой емкости компенсируется включенная в контур неизвестная емкость, т. е.

сочетании с методом замещения. На рис. 8-4 дана схема измерения малых индуктивностей Lv, составляющих последовательный колеба­ тельный контур с образцовым конденсатором С0.

Более высокую точность измерения индуктивности Lx и емкости Сх дает сочетание методов замещения при резонансе и нулевых биений.

Резонансным методом можно осуществить измерение активного и полного сопротивлений.

Одним из основных параметров, характеризующих качество коле­ бательного контура и отдельных его элементов, является добротность Q. На принципе резонанса работает измеритель непосредственной оценки

154

жение на образцовом конденсаторе в момент резонанса в контуре. Если поддерживать UBXпостоянным, то Usbn. будет пропорционально Q и, следовательно, шкала лампового вольтметра У2 может быть отгра­ дуирована в единицах добротности. Входное напряжение, вводимое в измерительный контур от генератора высокой частоты ГВЧ через

превышает 0,5 В (20 -ь 100 мВ). Куметры могут быть использованы

вдиапазоне частот 50 кГц -г- 250 МГц.

§8-2, Измерение сопротивления

Диапазон сопротивлений, подлежащих измерению, 10"8 -г 1016 Ом, причем точность измерения очень малых и очень больших значений сопротивлений невысока. Сопротивление высокоомных микропровояочных резисторов составляет величину до 1010 Ом, непроволочных резисторов — до 1014 Ом, а диэлектриков — до 1016 Ом. Верхний пре­ дел измерения приборов для измерения удельного объемного и поверх­ ностного сопротивлений доходит до 101в Ом.

Мнкропроволочные резисторы до 1010 Ом измеряют с погрешно­ стью ± ( 0 , 0 0 1 — 0 ,1 ) % ; непроволочные резисторы сопротивлением до

метрами, мегомметрами, тераомметрами, в основе работы которых лежит метод одного прибора; мостами постоянного тока.

заны принципиальные схемы омметров для измерения больших и малых сопротивлений. В схеме рис. 8-6, а измеряемое сопротивление Rx включено последовательно с измерительным прибором ИП, в схеме рис. 8-6, б — параллельное ним. Если в качестве ИП использовать микроамперметр магнитоэлектрической системы с внутренним сопро­ тивлением R„, то ток / будет равен:

155

Если в процессе измерения приложенное напряжение U поддержи­ вать постоянным, то ток I в обоих случаях является функцией Rx (см. § 8-1). Из приведенных предельных значений тока / для измене­ ния величины Rx от 0 до оо следует, что шкала прибора в схеме, пока­ занной на рис. 8-6, а, должна быть обратной, а в схеме рис. 8-6, б — прямой. Схему, изображенную на рис. 8-6, а, применяют для измере­ ния больших сопротивлений (Rx > 100 Ом),, а схему, показанную на

рис. 8-6, б, — малых сопротивлений (Rx < < 100). Ключи к служат для проверки правильности градуировки шкалы прибора. Значение тока I = U/(R0 -f R„) соответст­ вует замкнутому положению ключа к и отметке шкалы Rx = 0 в схеме, изобра­ женной на рнс. 8-6, о, и разомкнутому положению ключа к и отметке шкалы Rx —

=оо в схеме, изображенной на рис. 8-6, б. Схемы омметров используют в комби­

нированных приборах типов Ц4313, Ц4314 и др. Основным недостатком омметров дан­ ного типа является зависимость показаний

В этой схеме измеряемое сопротивление Rx соединяют либо по­

Логометрические омметры — приборы невысокого класса точности (1,5; 2,5; 4). Погрешность омметра указывают в процентах от длины рабочей шкалы.

И з м е р е н и я э л е к т р о н н ы м о м м е т р о м . В настоя­ щее время широкое распространение получили электронные омметры, мегомметры и тераомметры. На рис. 8-8 дана схема электронного омметра с последовательным включением измеряемого сопротивле­ ния Rx и образцового R0. В электронных омметрах измеряют не ток, а падение напряжения на измеряемом сопротивлении Ох = 17/(1 +

156

Из анализа данных выражений следует, что при измерении Ux

<Rx, - U 0.

Вэлектронных омметрах питание схемы осуществляется от спе­

циального стабилизированного источника напряжения U. Если U равно номинальному значению напряжения вольтметра Un, то омметры имеют бесконечные пределы измерения, если же U > Un, то при определенном подборе Ra и Rx пределы измерения конечны. Для уменьшения погрешностей измерения входное сопротивление усили­ теля должно быть как можно больше, поэтому во входных цепях его используют специальные электрометрические лампы с малыми сеточными токами.

Если напряжение источника питания U значительно превосходит номинальное напря­ жение вольтметра Д„, то применяют схему ом­ метра с параллельным включением измеряе­ мого и образцового сопротивлений.

Пределы измерения электронных омметров расширяют за счет набора образцовых сопро­ тивлений.

Электронные омметры обычно представ­ ляют собой многопредельные приборы. Шкала электронного омметра,

Шкала омметра при этом будет более равномерной. Этот же резуль­ тат может быть получен, если измерительную цепь омметра питать от источника тока. Универсальный прибор типа ВК.7-9 используют и как электронный омметр. Применение в схеме электронного омметра операционного усилителя, представляющего собой высокостабильный усилитель постоянного тока УПТ с параллельной обратной связью'по напряжению, позволяет создать омметры с равномерной шкалой и

с высокой точностью. Наиболее целесообразно использовать уравно­ вешенные одинарно-двойные мостовые схемы. Диапазон измерения сопротивлений таких схем 1СГ8 ч- 106 Ом. Мостовая схема содержит встроенный блок образцовых сопротивлений, а также работает с внеш­ ними образцовыми сопротивлениями различных номиналов. Комбини­

157

рованная мостовая схема типа Р329 при измерении сопротивлений 1СГ8 ч- 10“7 Ом по схеме двойного моста с внешним индикатором рав­ новесия (автокомпенсацнонным микровольтнаноамперметром РЗ-25) обеспечивает класс точности 2; сопротивлений 10~7 -4- 10“° Ом — класс точности 1, а сопротивлений 10~6 -4- 100 Ом — класс точности 0,2 -4- -j- 0,05. В двойной мостовой схеме предусмотрены специальные меры уменьшения влияния соединительных проводов и контактов. Одинар­ ная мостовая схема при измерении сопротивлений 50 -4- 105 Ом отно­ сится к классу точности 0,05, а выше 0,5 Ом — к классу точности 0,5. В качестве индикатора равновесия может быть также использован зеркальный гальванометр, но при этом класс точности схемы ниже.

Измерение высокоомных сопротивлений сопровождается уменьше­

представляют собой низкоомньш вспомогательный делитель напряже­ ния (регулируемое плечо R4 — многодекадный магазин сопротивлений

Напряжение U измеряют вольтметром. Индикатором равновесия может быть электрометр электростатический или ламповый.

Мостовая схема Р4050 имеет вольтметр на плече R4 = const, a R3 является регулируемым сопротивлением. Пределы измерения сопротивлений этой мостовой схемы 105 -4- 1011 Ом с погрешностью 0,05 -4- 2%. Пределы измерения мостовой схемы Р453 10~2 -4- 1010 Ом.

Двуплечая мостовая схема (рис. 8-10) состоит из резисторов изме­ ряемого R3 = Rx и образцового R2 = R0, включенных в ее два плеча.

158

Напряжения Ua и Ub подают от двух источников питания, включаю­ щих в себя устройства для ступенчатой Ег и плавной Ег регулировки

Перед измерением устанавливают по вольтметру Vx напряжение Ua,

фиксируются значения частоты /0, емкости Со1, добротности контура Qx. Затем исследуемое сопротивление Zx (Rx, Хх) подключают либо после­ довательно (если модуль Zx — величина малая) со вспомогательной катушкой, либо параллельно (если модуль Zx — величина большая) к образцовому конденсатору С0. Контур с помощью С0 вновь настраи­ вается в резонанс на ту же частоту. Зафиксированные значения /0, С02 и Q., совместно с данными, полученными при первом измерении С01 и Qlt дают возможность определить модуль Zx и его составляющие Rx, Х х, Наиболее часто куметр используют для измерения больших сопротив­ лений Zx, например входного сопротивления вольтметра, имеющего активно-емкостный характер. В этом случае Zx подключают к зажимам

159