Конспект по дисциплине метрология БГУИР. Метрология и измерения Содержание
 Скачать 5.83 Mb.
|
|
Панорамный измеритель АЧХ и ФЧХ Для удобства отсчета фазового сдвига, или коэффициента передачи в автоматическом режиме работы измерителя применяют визирную линию. Для этого луч по вертикали тактовые перемещения не пропорционально КП, а пропорционально регулируемому постоянному напряжению. Меняя это напряжения, можно подвести визирную линию в интересующую точку. 2.6 Измерение параметров электрических цепей Электрорадиотехнические цепи представляют совокупность соединенных определенным образом источников электрической энергии и элементов, по которым протекает постоянный или переменный ток. В зависимости от соотношения размеров цепей и рабочей длины волны электрических колебаний, распространяющихся в них, различают цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Цепи, размеры элементов которых гораздо меньше длины волны, называют цепями с сосредоточенными постоянными. Таким образом, характерной особенностью электрорадиотехничеких цепей с сосредоточенными постоянными является сосредоточение определенных процессов при распространении электромагнитной энергии через цепь в отдельных, независимых друг от друга элементах. Так, тепловое рассеивание энергии происходит в активном сопротивлении, магнитное поле сосредотачивается в индуктивности, а электрическое поле – в емкости. Электрорадиотехнические цепи могут быть пассивными и активными. В зависимости от числа внешних, то есть доступных для подключения, полюсов и те и другие подразделяются на двухполюсники (ДП) и многополюсники. Двухполюсником называют цепь с двумя внешними узлам, а многополюсником – цепь, число полюсов у которой больше двух. Наиболее характерным представителем многополюсников является четырехполюсник (ЧП). В принципе любой многополюсник может быть разбит при анализе цепей на 2-х и 4-х полюсники. В связи с этим всю номенклатуру параметров, которые измеряются на практике, образуют параметры 2-х и 4-х полюсников. Простейшими видами ДП в цепях с сосредоточенными постоянными, как следует из вышесказанного, являются резистор, конденсатор, катушка индуктивности, а также источники ЭДС и токов. Измерение тока и напряжения мы уже рассмотрели. Поэтому рассмотрим измерение таких параметров пассивных ДП как активное сопротивление R, емкость С и индуктивность L, которые называют первичными. С другой стороны обобщенным параметром пассивных ДП являются полное сопротивление Z или проводимость Y, которые взаимосвязаны. Z как мы знаем равно:  ,где R – активное сопротивление, которое определяет потери энергии в ДП; Х – реактивная составляющая Z, которая может иметь емкостной или индуктивный характер, соответственно:   Поэтому для оценки качества конденсатора пользуются величиной  – тангенс угла потерь, а для катушки индуктивности величиной  – добротность. Эти параметры так же необходимо измерять.Аналогично можно расписать и комплексную проводимость Y. На практике реактивную составляющую Z или Y удобнее выражать непосредственно через L или C. В частности, при  Таким образом, отрицательная индуктивность является показателем емкостного сопротивления, а отрицательная емкость – показателем индуктивной проводимости цепи.Измерители параметров ДП образуют подгруппу Е и в соответствии с ГОСТ 15094-86 в зависимости от назначения подразделяются на следующие виды:
2.6.1 Общие вопросы измерения параметров ДП Любой измеритель параметров ДП, независимо от принципа его работы, должен определять отношение напряжения на измеряемом ДП к току, протекающему через него, или обратную величину. Это означает, что результаты измерений в общем случае могут не отражать физической структуры ДП, а являются параметрами его эквивалентной схемы на частоте измерения. Особенно характерно это для приборов, которые измеряют реактивную составляющую Z или Y. Таким образом, если результаты измерений, поученные с помощью прибора любого вида, будут в дальнейшем использоваться для анализа и синтеза электрорадиотехнических цепей, необходимо максимально четко представлять себе эквивалентные схемы измеряемых ДП, правильно выбирать частоты, на которых проводятся измерения, а в ряде случаев проводить измерения только в определенном диапазоне частот. С учетом всех возможных паразитных параметров эквивалентные схемы даже простейших ДП имеют следующий вид (рисунок 2.32): резистора (рисунок 2.32, а), конденсатора (рисунок 2.32, б) и катушки индуктивности (рисунок 2.32, в).  Рисунок 2.32 Как видно из рисунка 2.31 даже в простейших случаях эквивалентные параметры могут значительно отличатся от основных R, C или L соответственно. При измерениях основных параметров ДП паразитные параметры по разному сказываются в зависимости от частоты, на которой проводятся измерения. Они становятся источниками систематических погрешностей и должны, по возможности, исключатся из результатов измерений. Это особенно актуально при точных измерениях R,C и L. В этих случаях могут даже применяться так называемые трех-, четырех- и пятизажимные схемы включения ДП. Измерители параметров ДП всех видов укрупнено можно классифицировать на приборы прямого преобразования и приборы сравнения. Приборы прямого преобразования измеряют ток, протекающий через ДП, который при известном напряжении является мерой Z. В некоторых приборах наоборот измеряют напряжение при заданном токе. Это достаточно простые, но наименее точные приборы. Поэтому они получили распространение только как омметры для измерения R. Для измерения всех остальных параметров ДП приборы подгруппы Е – это приборы сравнения. Они реализуют мостовой метод измерения (измерительные мосты) и резонансный (с помощью колебательных систем). Все приборы могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. 2.6.2 Магнитоэлектрические и электронные омметры Наиболее простые магнитоэлектрические омметры представляют собой магнитоэлектрические амперметры с дополнительными элементами, образующими измерительные цепи (рисунок 2.32). Измеряемое сопротивление резистора RX может включатся в цепь последовательно (рисунок 2.33,а) или параллельно (рисунок 2.33,б). Исходя из общего выражения для уравнения преобразования магнитоэлектрического амперметра для последовательной схемы (см. рисунок 2.33, а) можно записать:  (2.12) При постоянных известных E, RK,RД, RA и SI шкала амперметра может быть проградуирована в значениях RX и мы получаем омметр. При этом шкала омметра оказывается обратной (максимальное отклонение при RX=0, а отсутствие отклонения при RX=∞). Аналогичное выражение можно записать и для схемы рисунка 2.33, б), для которой шкала будет прямой, но нелинейной.  (2.13)  Рисунок 2.33 Схема (см. рисунок 2.33, а) применяется для измерения больших значений RX, а (см. рисунок 2.33, б) – малых. В обеих схемах с помощью RД расширяется диапазон измерений. Верхний предел измеряемых RX существенно зависит от значения Е. При измерении RX до 1 МОм в качестве Е могут применятся гальванические элементы. Омметры для измерения RX>1 МОм называются мегоомметрами и должны иметь либо высоковольтный генератор с ручным приводом, либо электронный преобразователь напряжения гальванических элементов. В последнем случае омметр становится электронным. Зависимость результатов измерений RX от постоянства Е предопределяет необходимость калибровки омметров перед каждым измерением RX. Она производится с помощью переменного резистора RK. Причем для схемы (рисунок 2.33, а) стрелка устанавливается на 0 при замкнутых накоротко зажимах 1 и 2, а в схеме (см. рисунок 2.33, б) стрелка устанавливается на ∞ при разомкнутых зажимах 1 и 2. Необходимость в предварительной калибровке является основным недостатком таких омметров. Этого недостатка лишены омметры на базе магнитоэлектрического логометра, который измеряет отношение токов, протекающих по его катушкам. Схема логометрического омметра приведена на рисунке 2.34. Угол отклонения стрелки логометра определяется выражением:  (2.14)Таким образом α, а следовательно и измеряемое значение RX, не зависит от Е. При постоянстве RA1, RA2, RД1 и RД2 угол отклонения стрелки α зависит только от значения RX.  Рисунок 2.34 На базе логометров проектируются мегоомметры с высоковольтным генератором постоянного тока с ручным приводом. Пределы измерения омметров от десятков Ом до сотен МОм. Для измерения значений RX до долей Ома и свыше 108 Ом разработаны специальные виды электронных омметров – миллиомметры и тераомметры соответственно. 2.6.3 Мостовые измерители параметров двухполюсников А) Общие вопросы теории мостовых цепей Измерительными мостами называются приборы, измерительная цепь которых относится к классу мостовых измерительных цепей (МИЦ). Они широко применяются на практике для измерения неэлектрических и электрических величин. Классическая МИЦ состоит их 4-х ДП, соединенных по кольцевой схеме (рисунок 2.35). ДП Z1 – Z4 образуют плечи моста. При этом один из них, например Z1, является объектом измерения, а остальные – образцовыми мерами Z. Ветвь а–в, содержащая источник питания, называется генераторной диагональю, а ветвь б–г, в которую включен индикатор (И), – индикаторной (указательной) диагональю. В зависимости от окончательного измерительного состояния МИЦ может быть уравновешенной (IИ=0) или неуравновешенной (IИ≠0), то есть, соответственно реализуются нулевой и дифференциальный метод.  Рисунок 2.35 Уравновешивание МИЦ производится изменением сопротивлений Z2 –Z4.Момент равновесия фиксируется индикатором, когда IИ=0. Это будет тогда, когда потенциалы точек б и г будут равны и следовательно будут выполнятся равенства   (2.15)Разделив первое равенство на второе получим в общем виде условие равновесия МИЦ:  (2.16)При комплексном характере Z1 – Z4 это условие может быть разделено на условие баланса амплитуд (модульное условие):  (2.17)и условие баланса фаз (фазовое условие) равновесия:  (2.18)где φ1 – φ4 – фазовые сдвиги между I и U в соответствующих ДП плеч МИЦ. Таким образом, в общем случае уравновешивание МИЦ может быть достигнуто только при одновременном обеспечении обоих условий (баланса амплитуд и баланса фаз). Это в свою очередь требует наличия не менее двух регулируемых элементов. Условие баланса фаз кроме того предопределяет лишь ограниченное число комбинаций сопротивлений плеч по характеру их активной и реактивной составляющих. Эти комбинации определяют правила построения измерительных мостов и приведены на рисунке 2.36:  Рисунок 2.36 Измерительные мосты характеризуются определенной системой параметров, регламентируемых стандартами. Большинство этих параметров аналогичны параметрам других электрорадиоизмерительных приборов. В связи с этим ограничимся определением только чувствительности и сходимости мостов. Чувствительность моста может быть определена из общего ее определения и равна:  (2.19)где SIИ – чувствительность по току индикатора; SIМИЦ – чувствительность по току мостовой измерительной цепи. Чувствительность максимальна для равноплечих мостов, когда Z1= Z2= Z3= Z4. Сходимость – это способность моста приходить к состоянию равновесия путем большего или меньшего числа последовательных регулировок его регулируемых элементов. Измерительные мосты, применяемые в измерителях параметров ДП, классифицируются по следующим основным признакам: По типу источника питания на мосты постоянного и мосты переменного тока; В зависимости от количества плеч МИЦ – на четырехплечие и многоплечие мосты; В зависимости от способа уравновешивания – мосты с ручным уравновешиванием и автоматические. Для мостов переменного тока ГОСТ 9486-79 «Мосты переменного тока измерительные. Общие технические условия.» дополнительно выделяет следующие типы в зависимости от измеряемого параметра ДП: МЕ (для измерения С), МИ (для измерения L), МИЕ (для измерения L и C), МЕП (для измерения С и tgδ), МИП (для измерения L и Q) и МИЕП (универсальные). На основе рассмотренной общей теории разработано большое многообразие различных схем мостов. Рассмотрим только те виды мостов, которые наиболее часто применяются в измерителях параметров ДП. Б) Одинарные измерительные мосты постоянного тока Измерительные мосты постоянного тока, как правило, применяются для измерения RX. Упрощенная схема одинарного четырехплечего измерительного моста имеет вид, представленный на рисунке 2.37:  Рисунок 2.37 Из общего условия равновесия следует, что в момент равновесия  (2.20) В практических схемах мостов уравновешивание может производится либо изменением R2, при R4/R3=const – магазинные мосты, либо изменением R4/R3, при R2=const – линейные мосты. Наибольшее распространение получили магазинные мосты, так как R2 можно выполнить в виде высокоточного магазина сопротивлений. Для расширения пределов измерений изменяют R4/R3 ступенями, кратными 10. Если в качестве индикатора используется при этом высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр, то погрешность магазинного моста не более тысячных долей процента. У линейных мостов изменение R4/R3 осуществляется с помощью реохорда, R2 изменяется ступенями для расширения пределов измерений. Погрешность таких мостов порядка единиц процента, что и ограничивает их применение.  Рисунок 2.38 Магазинные мосты измеряют значение RX в диапазоне от 10 до 106 Ом. Для расширения пределов измерения RX в сторону больших (до 1016 Ом) и меньших (до 10-8 Ом) значений применяют дополнительные схемные и конструктивные решения. В частности, при измерениях больших RX необходимо исключить влияние внешних магнитных полей путем полного экранирования моста с соединением одной из его узловых точек с экраном (уменьшаются токи утечки). Кроме того, при больших RX значительно уменьшается SМИЦ (МИЦ становится существенно неравноплечей) и для компенсации этого согласно(8.10) требуется увеличивать SIИ. Поэтому широкодиапазонные мосты могут иметь два индикатора: магнитоэлектрический прибор, включаемый непосредственно в индикаторную диагональ, и высокочувствительный вольтметр постоянного тока, например, с усилителем типа МДМ, измеряющий напряжение между точками б и г (рисунок 2.35) и имеющий в качестве измерительного устройства этот же магнитоэлектрический прибор. При измерениях RX<10 Ом применяют четырехзажимную схему включения RX (рисунок8.8). Она позволяет исключить влияние на результат измерения RX сопротивлений проводов и контактов и расширить пределы измерений до 0,1 Ом. Кроме того для измерения очень малых RX применяют специальные двойные мосты постоянного тока. В) Двойной мост постоянного тока Схема реального двойного моста постоянного тока имеет следующий вид (рисунок 2.39,а). Как видно из электрической схемы (рисунок 8.9, а) двойной мост содержит две цепи: рабочую и измерительную. Рабочая цепь моста состоит из источника Е, измеряемого RX и образцового RO резисторов и соединяющего их проводника R5. Измерительная цепь моста включает в себя резисторы R1 – R4 и индикатор И.  Рисунок 2.39 Для получения условия равновесия проведем замену треугольника а-б-в, образованного резисторами R4, R3 и R5 реального моста на эквивалентную звезду (рисунок 2.39, б). Как видно из рисунка 2.39, б после такой замены эквивалентная схема двойного моста представляет собой одинарный четырехплечий мост, условие равновесия для которого можно записать в следующем виде:  (2.21)где  После подстановки значений Rа и Rв в условие равновесия получим:  (2.22) Если измерительная цепь моста симметрична, R1/R2= R4/R3, получим  (2.23) Таким образом, измеряемое значение RX определяется величиной RO и отношением R1/R2. Для более точного выполнения последнего условия значение сопротивления R5 в должно быть как можно меньшим (близким к нулю), чтобы уменьшить погрешность из-за несимметричности моста. Конструктивно R5 выполняют в виде короткого отрезка медной шины. Измерительные мосты постоянного тока, выпускаемые в настоящее время промышленностью, могут быть аналоговыми и цифровыми. Кроме того, выпускаются измерительные мосты специального назначения, к которым относятся так называемые процентные мосты для определения отклонения RX от номинального значения и мосты-калибры – для разбраковки резисторов по заданным допускам. Г) Одинарные четырехплечие мосты переменного тока Рассмотрим применение одинарных четырехплечих мостов переменного тока для измерения параметров ДП в соответствии с приведенной выше классификацией. |