Автоматизация измерений, контроля и испытаний (стр. 11 из 13)
6.2 Мосты постоянного и переменного тока
Для измерений различных величин находят применение измерительные приборы – мосты и компенсаторы, которые строятся на основе метода сравнения с мерой.
Мосты широко используются для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью измерения различных величин.
В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты постоянного и переменного тока. В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают четырехплечие (одинарные) и шестиплечие (двойные). Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.
Для измерений напряжений и ЭДС постоянного и переменного тока применяют компенсаторы постоянного и переменного тока. Они также применяются для измерения других величин при использовании измерительных преобразователей и косвенного способа измерений. Компенсаторы дают возможность получать результаты с высокой точностью, они обладают высокой чувствительностью. Приборостроительная промышленность выпускает компенсаторы, как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.
Измерение параметров на переменном токе. Основными методами измерения параметров R, L, С на переменном токе являются мостовые и резонансные. Мостовые методы измерения являются более точными, но могут использоваться только в ограниченной полосе частот. Существует несколько разновидностей мостовых схем: четырехплечие, шестиплечие (двойные), уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может быть как ручным, так и автоматическим. Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов. Обобщенная структурная схема такого моста показа-па на рис.29, а.
Сопротивления четерехплечего моста в общем случае носят комплексный характер:
(26)
Условия равновесия такого моста будут определяться двумя уравнениями:
(27)
(28)
Для выполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста двух элементов с регулируемыми параметров. Этими параметрами наиболее удобно сделать активные сопротивления. В качестве элемента, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг, используется эталонный конденсатор емкостью С0 с малыми потерями.
Упрощенная структурная схема четырехплечего уравновешенного моста для измерений активных сопротивлений представлена на рис.29, б. Магнитоэлектрический, электронный или цифровой нуль-индикатор (НИ) включается в диагональ моста, ток в которой в момент измерения должен быть установлен равным нулю. Согласно условию (27) равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство RхR4=R2R3,откуда неизвестное сопротивление можно выразить следующей формулой:
(29)
Для достижения равновесия моста достаточно иметь один регулируемый параметр (резистор R4), как показано на рис.29, б.
 |
Рис.29. Структурная схема четырехплечего моста.
Пределы измеряемых сопротивлений для подобных мостов составляют от 10 -2 до 10 7 Ом. Погрешности измерения — от сотых долей процента до нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения. Наименьшие погрешности лежат в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм. При малых измеряемых сопротивлениях вклад в погрешность измерения вносят сопротивления соединительных проводов, при больших — сопротивления утечки.
Представленная на рис.29, б схема может быть создана в цифровом варианте. Для этого регулируемый резистор изготавливается в виде набора ряда сопротивлений, выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередно включаются в плечо измерительного моста до тех пор, пока схема не уравновесится. Положение ключей характеризует собой код измеряемой величины, поступающий затем в цифровое отсчетное устройство.
6.3 Измерение индуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь
Наиболее распространенные схемы мостов на переменном токе, измерения индуктивности и добротности катушек представлены рис.30. В них используются источники гармонического тока с амплитудой напряжения U и угловой частотой ω. Эти четырехплечие мосты соответствуют наилучшей сходимости (уравновешивания). Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь отображенных активным сопротивлением.
 |
Рис.30. Схемы мостов для измерения индуктивностей и их добротностей с образцовыми элементами: а – катушкой; б – конденсатором
Условие равновесия для схемы рис.30, а имеет вид
(30)
где Lxи Rx— измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь в катушке; LQи R0— образцовые индуктивности и сопротивление.
Приравняв отдельно действительные и мнимые члены формулы (30), получим:
LX=L0R2/Ri; RX=R0R2/Rh (31)
Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного тока применяется конденсатор (рис.30, б). Для этой схемы
(32)
Приравняв отдельно в данном уравнении вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров катушки индуктивности:
Lx=C0R2R3; Rx=R2R3/R0. (33)
Добротность катушки
(34)Для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с малыми потерями применяют мостовую схему, представленную на рис.31, а (последовательное соединение элементов Схи Rx), а с большими потерями — на рис. 31, б (параллельное соединение элементов Схи Rx).
Условие равновесия для схемы рис.31, а имеет вид
Рис.31. Схемы мостов для измерения емкости и угла потерь конденсаторов:
а – с малыми потерями; б – с большими потерями.
Разделив здесь вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров конденсатора:
Cx= C3R4 /R2, Rx=R3R2/R4. (35)
Тангенс угла потерь конденсатора
(36)Для моста с параллельным соединением Схи Rx(рис. 31, б) условие равновесия имеет вид
(37)
откуда
(38)Тангенс угла потерь конденсатора при параллельной схеме замещения:
Поскольку условия уравновешивания моста зависят от частоты, мостовые схемы измерения предназначены для работы на одной из определенных частот, например: 50, 100, 1000, 10 000, 100 000 Гц.
Уравновешивание схем достигается поочередным регулированием переменных образцовых сопротивлений или емкостей. Эта процедура называется шагами, а количество шагов определяет сходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов. Уравновешенные мосты переменного тока обеспечивают погрешность измерения 0,5 до 5%.
6.4 Резонансные методы измерения параметров цепей
При резонансных методах измерений используются физические явления в колебательных контурах и генераторах. Соответственно методы подразделяются на контурные и генераторные. Генераторные методы в настоящее время находят, в силу разных причин, ограниченное применение. Наиболее универсальным прибором для измерения параметров цепей является куметр (от латинской буквы Q — характеристики добротности катушки индуктивности), в котором основная измерительная цепь — последовательный колебательный контур.