Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
91
PВХ
Rt
R
R1
R2
R3
Е
ПИТ
С L Г
Рисунок 6.11-Схема неуравновешенного
тельность высокая – от 10 до 100 Ом/мВт.
Болометр – проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой. Болометры менее
чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные, не зависящие от температуры окружающей среды характеристики.
Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки,
состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение величины сопротивления терморезистора измеряется обычно с помощью
различных мостовых схем.
Схема неуравновешенного моста представлена на рисунок 6.11. Исходное уравновешивание моста (при отсутствии измеряемой мощности
СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из
потенциометра R плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с
частотой выходных колебаний 50... 100 кГц. При равновесии моста ток в
измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемую мощность СВЧ РВХ подают на термистор. Если схема измерителя
согласована с генератором, то мощность полностью
рассеивается на термисторе. В результате его сопротивление понизится и
через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Е
ПИТ
.
К преимуществу измерителей электрической мощности с неуравновешенными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку – сравнительно малая точность. Последнее объясня-
92
t
R
I
PВХ
Rt
R
R R
Е С
Г
R
IМ
IО
R6
R
R4
+
IШ
Рисунок 6.12-Схема уравновешенного моста
ется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении
мощности СВЧ изменение сопротивления термистора влечет за собой
нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии
передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Кроме того, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности.
Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные
мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного
уравновешенного моста с терморезистором представлен на рисунок 6.12.
Терморезистор Rt, находящийся в головке, включают в одно из плеч
моста. Остальными плечами моста являются резисторы R1, R2, R3, равные
по величине R
– сопротивлению терморезистора в рабочей точке.
t0
Напряжение питания на мост подается через резистор R4, сопротивление
которого велико. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений
R5, R6. Резистор R6 представляет собой реостат, с движком которого связана отсчетная шкала. От сопротивления R6 зависит ток через терморезистор, поскольку ток питания моста IМ = I0 - IШ, а ток через данный резистор, когда мост уравновешен,
До подачи мощности СВЧ мост сбалансирован за счет двух ис-
= 0,5 ∙ IМ.
93
точников питания: постоянного тока и переменного тока генератора Г. При
этом положение движка резистора R6 такое, чтобы сопротивление R6 было
максимальным, если используется термистор, или минимальным, если используется болометр. При подаче сигнала СВЧ баланс моста нарушается,
и его восстанавливают, изменяя ток питания моста (а следовательно, и
терморезистора) с помощью сопротивления R6 источника Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать R6, а
для болометров – наоборот. Шкала движка R6 градуируется в ваттах.
Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г
позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене.
Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую погрешность порядка 4... 10 %. Погрешности измерения определяются в основном степенью согласованности нагрузки и качеством измерительной головки.
Более полное изложение вопросов лекции представлено на указанных
страницах перечисленных ниже литературных источников:
Вопрос 1. [2] с.140 - 149; [3] с.176 - 179; [4] с.222 - 232.
Вопрос 2. [3] с. 212 - 214; [4] с.222 - 232.
Вопрос 3. [3] с.312 -314; [4] с.232 – 235;
Вопрос 4. [3] с.315 -319.
94
V
U1
U
rХ
U–U1
SA1
2
1
Рисунок 7.1-Косвенное измерение сопротивления с
помощью вольтметра
ЛЕКЦИЯ 7
Тема лекции: Измерение пассивных физических величин
Вопросы лекции:
1. Измерение сопротивлений, емкостей и индуктивностей
2. Принцип действия омметров с логометрическим измерительным ме-
ханизмом
3. Измерение напряжения осциллографами.
4. Измерение временных интервалов сигналов
5. Измерение частоты и сдвига фаз двух сигналов
ВОПРОС 1 Измерение сопротивлений, емкостей и индуктивностей
Измерение сопротивления проводится самыми разнообразными сред-
ствами измерений, позволяющими прямо или косвенно находить неизвестные значения этой величины. Диапазон измеряемых в настоящее время сопротивлений достаточно широк - от 10-8...1017 Ом. В самых различных областях техники имеется тенденция к еще большему расширению
указанного диапазона. При измерениях сопротивления значительное число
способов основывается на использовании закона Ома.
При отсутствии необходимости в очень точных результатах измерения
сопротивление может быть измерено косвенно либо с помощью одного
вольтметра, либо с помощью одного амперметра. Погрешность в обоих
случаях в основном определяется погрешностью применяемого прибора.
Если значение измеряемого сопротивления имеет один порядок с со-
противлением вольтметра, то целесообразно использовать схему, представленную на рисунке 7.1. В положении "1" переключателя SA1 вольтметр измеряет напряжение источника питания U, а в положении "2"
95
,
r
r
UU
U
X
В
1
1
=
−
−=
),
1
U
U
r
r
1
B
X
.
UU
rU
r
1
01
B
−
⋅
=
Рисунок 7.2-Косвенное измерение сопротивления с
помощью амперметра
А
U
SA1
2
1
rO
IХ
rХ
IO
вольтметр оказывается включенным последовательно с измеряемым сопротивлением rХ, что дает право считать справедливым соотношение
(7.1)
где U1 - падение напряжения на вольтметре.
Значение искомого сопротивления определяется по формуле
(7.2)
где rВ - внутреннее сопротивление вольтметра, значение которого всегда
указывается на циферблате прибора.
Если же оператору необходимо выяснить соответствие сопротивления
вольтметра значению, указанному на приборе, то, имея образцовый резистор r0, это можно сделать, используя соотношение величин rХ и rВ согласно выражению (7.2)
(7.3)
Если значение измеряемого сопротивления не одного порядка с внут-
ренним сопротивлением вольтметра, то необходимо использовать схему,
изображенную на рисунке 7.2. По шкале амперметра определяют токи
I0 и IX, изменяя соответствующим образом положение переключателя SA1.
Получив результаты измерений, можно записать
96
,
r
r
rU
rU
I
I
X
0
0
X
0
X
==
.
I
I
rr
X
0
0X
⋅=
.
I
U
r
A
B
X
=
(%)100
r
r
δ
X
A
⋅=
а)
б)
А V А
V
rХ
U
U
UВ
UА
IВ
IА
rХ
Рисунок 7.3-Схемы измерения сопротивлений:
а) больших значений; б) малых значений
(7.4)
откуда значение измеряемого сопротивления выражается следующим образом:
(7.5)
В случаях, если отсутствует прибор непосредственной оценки (ом-
метр) и значение измеряемого сопротивления не известно с точностью до
порядка, необходимо воспользоваться и амперметром и вольтметром. В
основу вычислений следует положить закон Ома для участка цепи. Этот
способ может быть применен в диапазоне измерения сопротивления от
10-6 до 1013 Ом. Схемы включения приборов показаны на рисунке 7.3,а,б.
И в том, и в другом варианте включения справедливо
(7.6)
где UB и IA - показания прибора.
Схема (см. рисунок 7.3,a) предпочтительней для измерения больших
сопротивлений, когда rA << rX , так как методическая погрешность выражается следующим образом:
и будет значительной при невыполнении приведенного условия.
(7.7)
97
(%).100
r
r
1
1
δ
X
B
⋅
−
=
Схема, представленная на рисунке 7.3,б оказывается предпочтительней при измерениях сопротивлений с малым значением, т.е. rX << rB, так
как методическая погрешность измерения вычисляется по формуле
(7.8)
Метод прямых измерений сопротивления осуществляется приборами
непосредственной оценки, а именно: магнитоэлектрическими и электронными омметрами. Эти приборы позволяют измерять сопротивление в диапазоне от единиц Ом до десятков мегом. Аналогичные измерения могут
проводиться комбинированными приборами типа Ц4312, и т.п. Наиболее
точные из приборов непосредственной оценки имеют класс точности
1,0...1,5. Следует иметь в виду, что такие омметры часто имеют неравномерную шкалу с диапазоном показаний 0...∞, Ом. Погрешности в таких
приборах устанавливаются в процентах от длины шкалы.
Измерение сопротивления методом сравнения производится при помощи одинарных и двойных мостов, а также цифровыми приборами. Измерительные мосты могут быть аналоговыми и цифровыми, а также с автоматическим и ручным уравновешиванием.
Для измерения с высокой точностью применяют мосты постоянного
тока, которые в диапазоне 1...106 Ом позволяют измерять сопротивление с
точностью ± 0,005%. Такие мосты имеют ручное уравновешивание и требуют использования внешних источников питания и высокоточных нуль –
индикаторов (НИ). Измерительные мосты постоянного тока с автоматическим уравновешиванием применяются в основном для измерений сопротивления терморезисторов. Схема одинарного моста постоянного тока
приведена на рисунке 7.4. Такой мост питается от источника постоянного
напряжения, а его три плеча (R1, R2, R3) образуются резисторами высокой
точности. Условие баланса моста представляется в виде известного выражения
R1 ∙ R3 = R2 ∙ RX, (7.9)
98
.
R
RR
R
2
31
X
⋅
=
а
R
R
НИ
U
R
R4
(RX)
b
R
Рисунок 7.4-Схема одинарного моста
постоянного тока
Рисунок7.5-Обобщенная схема измерительного мо-
ста переменного тока
а
Z
Z2
UВХ
Z3
(ZX)
b
Z4
откуда при R2 = RX измеряемое сопротивление вычисляется по формуле
(7.10)
В качестве нуль-индикатора (НИ) используется магнитоэлектрический
гальванометр. Классы точности одинарных мостов лежат в пределах от
0,05 до 0,1. Измерение малых сопротивлений одинарными мостами возможно, если значение сопротивления 10-4 Ом и выше, так как при меньших значениях погрешность измерения значительно увеличивается.
Измерение емкости, индуктивности, взаимной индуктивности
и тангенса угла потерь проводится измерительными мостами перемен-
ного тока. Обобщенная схема измерительного моста переменного тока
представлена на рисунке 7.5. Условие равновесия такого моста определяется выражением
99
,
e
zz
e
zz
ZZ
Z
Z
)
4
φ
2
φ(
j
42
)φ
1
φ
(j
3
1
4
2
31
++
⋅⋅
=⋅
⋅
=⋅
=⋅
3
+=+
⋅=
⋅
.φφφφ
zz
z
z
4231
;4231
.
CRωδ
tg;
R
R
R
R;
R
R
CC
44X
3
2
4X
2
3
4X
⋅⋅==
=
.RCωQ;
R
R
R
R;RRCL
33X
3
4
2
X423X
⋅⋅=
⋅
=⋅⋅=
НИ
R
(C)
CX
R2
R3
R4
C4
а
b
Рисунок 7.6-Измерение параметров последовательной схемы за-
мещения конденсатора
(7.11)
из которого вытекают условия равенства модулей сопротивлений и их фаз,
так как под Z i понимается комплексное сопротивление цепи переменного тока, т.е.
(7.12)
Из условия (7.12) следует, что для достижения равновесия моста переменного тока необходимо регулирование не менее двух параметров схемы. На рисунке 7.6 приведена схема для измерения емкости и тангенса угла потерь.
Применительно к схеме, изображенной на рисунке 7.6, cправедливы
следующие выражения, используемые при измерении:
Для измерения индуктивностей на практике часто используют схемы
сравнения неизвестной индуктивности с известной емкостью. Для измерения индуктивности используется схема, изображенная на рисунке 7.7. Для
этой схемы выражения, определяющие значения искомых величин, имеют
вид:
(7.13)
(7.14)
100
~
b
а
R2
НИ
R4
LХ
R
R3
C3
Рисунок 7.7-Измерение индуктивности
(L)
U
Перечисленные средства измерения емкости и индуктивности обеспе-
чивают измерение параметров в диапазонах 10-8..104 мкФ и 10-7...103 Гн.
Мосты переменного тока имеют классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 и
5,0. Наибольшую сложность на практике представляет измерение малых
индуктивностей и емкостей. Погрешность лучших образцов мостов
(например, Е82) не превышает ±0,25%. Наибольшую точность измерения
мосты имеют на частоте измерения 1 кГц. При отсутствии жестких требований к точности измерений емкость можно измерять комбинированными
приборами с магнитоэлектрическим измерительным механизмом, имеющими класс точности 2,5 или 4.
ВОПРОС 2 Принцип действия омметров с логометрическим
измерительным механизмом
Важным преимуществом омметров с логометрическим измеритель-
ным механизмом является практическая независимость показаний от колебаний питающего напряжения. Поэтому омметры логометрического типа снабжаются источником питания в виде генератора с ручным приводом.
Генератор вырабатывает напряжение в несколько сотен вольт (а в некоторых приборах - несколько тысяч вольт), что позволяет измерять сопротивления до десятков и даже тысяч мегаом. Такие приборы называют мегаомметрами (иногда употребляется не вполне правильное наименование "мегомметр").
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]