книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Универсальные мосты для измерения сопротивления резисторов, емкости и угла потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек. Для измерений в лабораторных условиях промышленность выпускает универсальные мосты, позволяющие осуществлять изме­ рения сопротивлений на постоянном токе, емкости и угла потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек на перемен­ ном токе в широких пределах.

Современные универсальные мосты (УМ) содержат набор образ­ цовых резисторов, конденсаторов и катушек индуктивноетей постоян­ ной и переменной величины. С помощью переключателя рода изме­ ряемой величины УМ составляется одна из рассмотренных выше схем моста, в зависимости от измеряемой величины. Значения образцо­ вых элементов в схеме моста устанавливаются другим переключате­ лем в зависимости от требуемого предела измерения.

При конструировании универсальных мостов принципиальные схемы их выбираются таким образом, чтобы при измерениях различ­ ных величин использовалось наибольшее число одних и тех же эле­ ментов.

Универсальные мосты предназначаются для измерения сопротив­ лений в широких пределах, емкости от десятков пикофарад до ста

240

микрофарад, tg ô — от тысячных долей до одной десятой, индуктив­ ности катушек от единиц микрогенри до сотен генри и добротности катушек — от единиц до нескольких сотен. Погрешность универсаль­ ных мостов зависит от измеряемой величины. В качестве нульиндикатора обычно применяются усилители переменного тока с вы­ прямительным прибором на выходе. Измерения параметров конден­ саторов и катушек индуктивности в универсальных мостах обычно производится на частоте 1000 Гц. Генератор, питающий мост, поме­ щается в том же корпусе, в котором размещены и все элементы моста.

Трансформаторные измерительные мосты для измерения комплекс­ ных сопротивлений. Четырехплечие трансформаторные измеритель­ ные мосты отличаются от мостов, рассмотренных выше, наличием индуктивно связанных плеч в диагонали источника питания или

вдиагонали нуль-индикатора.

Рис. 170. Схема трансфор­ маторного измерительного моста с индуктивно свя­

нуль-индикатора

Примеры принципиальных схем трансформаторных мостов при­ ведены на рис. 170. Если в схеме рис. 170, а подобрать параметры плеч моста таким образом, чтобы напряжения во вторичных обмотках трансформатора были бы равны по величине и фазе падениям напря- „ жения в плечах Zx и Z2 , то ток в диагонали моста будет равен 'нулю, т. е. мост будет уравновешен. Если принять, что напряжения во вторичных обмотках пропорциональны числам витков обмоток, а также не учитывать потоков рассеяния обмоток (считать, что между плечами моста существует идеальная связь) и считать, что потери в проводах обмоток пропорциональны числам витков, то условием

где m и п — числа витков вторичных обмоток трансформатора. Условие равновесия трансформаторного измерительного моста, выражаемое формулой (153), обычно называется идеальным условием равновесия. Если не делать указанных выше допущений, условие равновесия трансформаторного моста оказывается более сложным 1 . На практике при осуществлении мостов этого типа всегда стремятся их выполнить так, чтобы идеальное условие равновесия моста было

241

справедливо с точностью, достаточной при применении моста для измерения тех или иных величин.

Для схемы моста рис. 170, б идеальное условие равновесия имеет аналогичный вид:

Ъх р

где .р и q— числа витков первичной обмотки трансформатора. Одним из возможных применений трансформаторных мостов яв­ ляется измерение комплексных сопротивлений. Если Z, • • Zx (изме­ ряемое комплексное сопротивление), aZ3 — Z.\- (образцовое комплекс­ ное сопротивление), то равновесие дгоста может быть достигнуто двояким способом: изменением Z>v И Л И изменением числа витков m

и п (или р и q для схемы рис. 170, б).

Возможность уравновешивания моста изменением числа витков (для чего соответствующая обмотка трансформатора должна быть секционированной) имеет важное значение, так как при таком спо­ собе уравновешивания можно получить цифровую форму отсчета значений измеряемой величины.

Трансформаторные измерительные мосты отличаются рядом до­ стоинств: они могут обеспечить практически постоянную чувстви­ тельность в широком диапазоне изменения отноше­

менным (точно известным) сопротивлением. Измерения емкости и угла потерь конденсатора производится путем двукратной настройки моста: без испытуемого конденсатора (ключ К разомкнут), когда отсчитываются значения г, п С\, соответствующие равновесию моста, и с испытуемым конденсатором (ключ К

242

Известны мосты, выполненные по принципиальной схеме рис. 171, позво­ ляющие измерять активные проводимости и емкости конденсаторов, начиная от

пиальная схема потенциометра, дающая представление об устрой­

Точность установления момента компенсации зависит от чувстви­ тельности нуль-индикатора (гальванометра), которая может быть очень высокой.

После установления рабочего тока переключатель П должен быть поставлен в положение б, и при этом перемещением движка А опять необходимо добиться отсутствия тока в гальванометре. Это будет при некотором значении сопротивления rxS которое можно от­ считать на магазине (или магазинах) сопротивлений. Тогда

Е=Іг

где I — ранее установленное значение тока.

Этот способ требует, очевидно, постоянства значения рабочего

стью. В настоящее время разработаны источники напряжения на базе полупроводниковых стабилизаторов. Напряжения подобных источников стабильны во времени с высокой точностью. Стабилизи-

243

рованные источники получили применение в потенциометрах в ка­ честве вспомогательных источников тока.

Одним из важных достоинств потенциометров является отсутствие потребления от источника измеряемой величины в момент компенса­

Для измерения тока Іх в цепь включается, как показано на схеме рис. 173, образцовый резистор с сопротивлением гн (г„ <^ г).

IIa образцовом резисторе возникает падение напряжения Ux, пропорциональное величине измеряемого тока Іх. С помощью по­ тенциометра измеряется величина этого напряжения. Значение из­ меряемого тока определяется вы­

ражением

Ux

''и '

циометром поочередно измеряют падения напряжения на гн и на гх. Во время измерений (компен­ сации) ток / должен оставаться неизменным.

Если измеренные потенциометром падения напряжения обозна­ чить соответственно U„ и Ux, то измеряемое сопротивление можно рассчитать по формуле

Для расширения пределов измерения потенциометра применяются образцовые делители напряжения, принцип действия которых пояс­ няется рис. 175.

Устройство потенциометров постоянного тока. Потенциометры постоянного тока могут быть разделены на два типа: большого со­ противления и малого сопротивления.

244

У потенциометров большого сопротивления сопротивление рабо­ чей цепи порядка 10 ООО Ом на 1 В. Рабочий ток обычно равен 0,1 мА. Для них применяются гальванометры с относительно большим кри­ тическим сопротивлением. Верхний предел измерения э. д . с . или напряжеппя 1,2—2,5 В.

Для измерения з. д. с. источника тока с малым внутренним со­ противлением и для измерения относительно малых о. д. с. и напря­ жений применять потенциометры большого сопротивления нерацио­ нально вследствие увеличения погрешности измерения. Одна из при­ чин увеличения погрешности заключается в том, что при обычном для компенсаторов большого сопротивления рабочем токе при измере­ нии малых о. д. с. в отсчете участвует малое число декад.

Для измерения малых э. д. с. (например, о. д. с. термопар) ис­ пользуются потенциометры малого сопротивления. Рабочий ток этих потенциометров порядка 1 — 10—25 мА; сопротивление рабочей цепи несколько десятков омов. Для них применяется гальванометр с не­ большим критическим сопротивлением, чтобы он мог работать в ус­ ловиях, близких к режиму его критического успокоения.

К конструкции современных потенциометров предъявляются следующие требования: а) неизменность рабочего тока в процессе компенсации; б) простота отсчета; в) возможность отсчета по положе­ ниям рычагов достаточного числа знаков; г) независимое включе­ ние измеряемой э. д. с. и нормального элемента. Потенциометры, вы­ пускаемые заводами, отвечают этим требованиям.

Э. д . с . нормального элемента компенсируется на отдельном участке рабочей цепи, имеющей некоторое постоянное сопротивле­ ние и переменное сопротивление, устанавливаемое в зависимости от окружающей температуры. Устройство с регулируемым сопротив­ лением, на котором создается компенсирующее напряжение, должно быть сконструировано таким образом, чтобы перемещение рычагов по его декадам в процессе компенсации не вызывало изменения ве­ личины рабочего тока. Кроме того, должна быть обеспечена воз­ можность точного отсчета установленного значения сопротивления (или падения напряжения на нем). Па практике применяется не­ сколько типов декад.

На схеме рис. 176, а показана так называемая шунтирующая де­ када. Как видно из схемы, посредством механически скрепленных рычагов PI и Р2 падение напряжения на одной секции гх подается на ряд (обычно 9) последовательно соединенных резисторов с сопротив­ лениями такой же величины. Тогда при рабочем токе / потенциометра

Компенсирующее напряжение для схемы рис. 176, а является суммарным падением напряжения в цепи егдж. Из схемы рис. 176, а видно, что независимо от положения рычагов PI и Р2 сопротивление цепи рабочего тока остается неизменным. Шунтирующих декад мо­ жет быть несколько.

245

На рис. 176, б показана принципиальная схема последовательного включения двух декад. Компенсирующим напряжением является падение напряжения на участке цепи вг. Так как рычаги PI и Р2 механически связаны, суммарное сопротивление цепи рабочего тока остается неизменным независимо от их положения. Можно включить последовательно требуемое количество двойных декад.

в)

5 j = m j Ш-Ц

В потенциометрах малого сопротивления применять трущиеся контакты в главной цепи недопустимо вследствие непостоянства их сопротивления, которое может привести к- существенным погреш­ ностям, так как сопротивление главной цепи сравнительно невелико. Этого недостатка нет у потенциометров с изменяющейся величиной рабочего тока.

—g\—@

Существует несколько схем потенциометров малого сопротивле­ ния, основанных на применении различного по величине рабочего тока в сопротивлении, на котором создается компенсирующее напря­ жение. На рис. 177 показана принципиальная схема потенциометра B . C . Уманцева. Как видно из этой схемы, компенсирующее напря­

246

Токи Іх и Т2 берутся разными и отличаются друг от друга в К) раз. Величины токов Іл и / 2 практически не зависят от положения щеток в контактных рядах вследствие того, что сопротивления гх и г2 вы­ бираются значительно большими, чем сопротивления г. Если подо­ брать такое положение щеток, при котором нуль-индикатор (гальва­ нометр) указывает на отсутствие тока в его цепи, величину измеряе­ мой э. д. с. можно отсчитать по положению щеток, причем каждая щетка дает определенный десятичный знак. Для повышения точности измерения Ех число контактных рядов может быть увеличено. Тре­ буемый рабочий ток (7, -f- Л>) устанавливается при помощи нормаль­ ного элемента и регулировочных реостатов, так же как и в схемах рис. 176, an б (на схеме рис. 177 нормальный элемент и регулировоч­ ные реостаты не показаны).

В настоящее время разработаны и выпускаются промышленностью потенциометры постоянного тока различного назначения.

32. Потенциометры переменного тока для измерения комплексных значений э. д. с , напряжений и сопротивлений

Принцип действия потенциометров переменного тока. Принцип действия потенциометров переменного тока, так же как и потенцио­ метров постоянного тока, заключается в том, что измеряемая э. д. с. уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке сопротивления вспомогательной цепи.

Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необ­ ходимо равенство этих напряжений по .модулю, противоположность но фазе, равенство частоты и идентичность формы кривой. Первые три условия можно обеспечить путем выбора принципиальной схемы потенциометра и питания исследуемой цепи и потенциометра от од­ ного источника. Последнее условие обеспечивается дополнительными мерами.

В качестве нуль-индикаторов, так же как и в мостах переменного тока, применяются вибрационные гальванометры, электроннолуче­ вые нуль-индикаторы или усилители с указателями выходного сиг­ нала.

При помощи потенциометров переменного тока можно измерять напряжения и э. д. с. переменного тока, ток, сопротивление, маг­ нитный поток и другие величины. Потенциометры переменного тока позволяют определять не только количественные значения различных величин, но и их фазу, т. е. представлять их в весьма наглядной форме векторных диаграмм.

Применение потенциометров переменного тока необходимо также при измерениях малых значений напряжений и э. д. с. в таких цепях переменного тока, в которых включение обычного прибора непосред­ ственной оценки может нарушать режим этой цепи вследствие по­ требления мощности и тем самым искажать результаты измерений.

Потенциометры неременного тока по точности измерений значи­ тельно уступают потенциометрам постоянного тока. Это объясняется главным образом тем, что не существует эталона электродвижущей

247

силы переменного тока, аналогичного нормальному элементу. Ра­ бочий ток в потенциометрах переменного тока приходится устанав­ ливать по приборам ограниченной точности, обычно по амперметрам электродинамической системы в лучшем случае класса 0,05 или 0.1 либо, как это будет показано далее, по нормальному элементу с ис­ пользованием промежуточного термопреобразователя.

Устройство потенциометров переменного тока. В зависимости от того, как производится уравновешивание по величине и фазе известной и измеряемой э. д. с. и в каких координатах получается отсчет Ех, потенциометры переменного тока разделяются на две группы.

1. Потенциометры, снабженные фазорегулятором, с помощью которого производится изменение фазы компенсирующего напряже­

ния до момента компенсации. Такие потенциометры П о з в о л я ю т пред­ ставить измеряемую э. д. с. Ех в полярной системе координат и назы­ ваются полярно-координатными.

2. Потенциометры, имеющие две рабочие цепи, в которых рабо­ чие т о К и сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°. В этих потенциометрах измеряемое напряжение или э. д. с. уравновеши­ ваются напряжением, определяемым по составляющим падений напря­ жений на участках двух рабочих цепей. Поскольку эти составляю­ щие сдвинуты по фазе на 90°, то потенциометры этого типа -могут быть названы прямоугольно-координатными потенциометрами или по­ тенциометрами, измеряющими Ех в прямоугольной системе координат.

На рис. 178 приведена принципиальная схема потенциометра, из­

руется фазорегулятором ФР, благодаря чему можно добиться прак-

248

тически полного отсутствия тока в нуль-нндикаторе НИ. Отсчет величины сдвига фазы производится по углу отклонения подвижной части фазорегулятора. Необходимое значение рабочего тока устанав­ ливается по амперметру А переменного тока при помощи реостата г.

На рис. 179 показана принципиальная схема потенциометра, из­ меряющего Ех в прямоугольной системе координат.

Потенциометр имеет две рабочие цепи А и Б. Рабочая цепь А состоит из калиброванной проволоки аб, первичной обмотки 1 «воз­ душного» трансформатора Тв (без стали), амперметра А и реостата г. Ток Іх в этой цепи создает на калиброванной проволоке аб падение напряжения Uаб. Так как ток Іх устанавливается заданной величины, то напряжение £/f t 6 будет определяться сопротивлением га б , которое может быть проградуировано в единицах напряжения. Вторая рабо­ чая цепь Б состоит из калиброванной проволоки ег, вторичной об­ мотки 2 «воздушного» трансформатора Г„ и резистора rf. Ток / 2 ) протекающий во второй рабочей цепи, отстает по фазе от тока 1Х практически на 90°. Объясняется это тем, что при незначительном

по фазе с токами, но будут сдвинуты относительно друг друга на

неизменным при всех частотах в пределах заданных значений. Для этой цели во второй рабочей цепи включен магазин сопротивлений г; , величина сопротивления которого меняется в зависимости от ча­ стоты.

Главная цепь потенциометра состоит из источника измеряемого напряжения Ux или э. д. с. Ех, нуль-индикатора НИ и участков калиброванных проволок ДІО и Д20.

На схеме рис. 179 рабочие цепи показаны смещенными в про­ странстве на 90°. Это сделано с той целью, чтобы наглядно изобразить реально существующее смещение по фазе на 90° между рабочими

249