-
Тема. Методи вимірювання опору, ємності, індуктивності.
Мета. Розглянути способи, за допомогою яких можна вимірювати опір, ємність, індуктивність.
Тип уроку. Комбінований урок.
Структура уроку.
І. Організаційний момент
ІІ. Актуалізація опорних знань
1) За допомогою яких приладів можна виміряти електричний опір?
2) Які їхні конструктивні особливості?
3) За допомогою якого приладу можна виміряти ємність?
4) Які його конструктивні особливості?
5) Як можна виміряти індуктивність котушки та добротність?
ІІІ. Викладення нового матеріалу
1) Методи вимірювання електричного опору
У мостових схемах опори вимірюють, порівнюючи величини вимірюваного опору з величиною зразкового опору шляхом порівняння падіння напруг на цих опорах. Схему вимірювального моста постійного струму для вимірювання опорів (моста Вітстона) наведено на рис. 1.
Вимірюваний опір rх, величина якого невідома, ввімкнено в четверте плече моста, а в перше плече — зразковий регульований опір. Якщо величини опорів r2 і r3 рівні між собою, то величина регульованого опору r, має бути не меншою, ніж величина вимірюваного опору. Джерело живлення Б (батарея, акумулятор, випрямляч) тут уміщено в першу діагональ мосту (а — в), а в другу (б — г) — індикатор нуля (магнітоелектричний гальванометр Г).
Змінюючи величину опору r1, досягають такої напруги між точками а, б, як і між точками а, г. Спочатку врівноваження величини цієї напруги виконують при наявності у колі гальванометра Г резистора r4, що зменшує чутливість гальванометра до напруги між точками б і г. Це робиться для того, щоб захистити гальванометр від відносно великих для нього напруг, які матимуть місце, поки міст не збалансовано. Коли ж відхилення стрілки гальванометра зменшаться, що свідчить про підхід до стану рівноваги мосту, натискують кнопку К і замикають резистор r4, тим самим збільшуючи чутливість гальванометра Г, і останніми декадами магазину зразкового опору r, ще дещо змінюють величину цього опору, досягаючи відсутності показань гальванометра Г вже без опору r4. Це і буде стан рівноваги мосту.
За умови, коли r2 = r3, при цій рівновазі величини опорів r1, і rх будуть дорівнювати один одному. Тобто величину опору r, можна визначити з положення ручок зразкового магазину опорів r1.
Подібні мости для вимірювання опорів використовують для вимірювання величин опорів від десятих часток ома й до 100 000 Ом.
Для вимірювання менших і більших величин опорів користуються іншими схемами чи приладами.
Так, якщо необхідно вимірювати опори порядку 0,1...0,0001 Ом, то схема, що розглядається, не може дати задовільних результатів, бо вимірюватиме не тільки величину опору, приєднаного до мосту резистора, а й опір контактів та проводів, якими цей резистор приєднано до мосту. Наявність цих опорів суттєво знижує точність вимірювання.
Вказаний недолік мостової схеми відсутній у разі вимірювання малих опорів подвійним мостом (мостом Томсона), схему якого наведено на рис. 2. Вимірюваний малий опір rх на цій схемі приєднано до схеми мосту за допомогою чотирьох затискачів 1... 4.Затискачі 1 та 4 призначено для вмикання резистора у коло струму, а 2 та 3 — для зняття падіння напруги з тієї частини опору, котра саме вимірюється. В схему ввімкнено зразковий опір rзр, загальна величина якого незмінна, але опір його середньої частини r може змінюватись при переміщенні по ньому рухомого контакту А. У схему введено гальванометр Г, приєднаний до потенційних затискачів 2 і3 вимірюваного опору через два однакових резистори r1 і r2 величиною, що значно перевищує як величину вимірюваного опору rx, так і величину зразкового опору rзр, виконаного переважно у вигляді реохорда. Гальванометр Г також приєднано до зразкового опору двома однаковими за величиною резисторами r3 і r4, величина яких звичайно буває більшою за величину резисторів r1 і r2 у 10, 100 і 1000 разів.
За допомогою мостів постійного струму можна вимірювати величини опорів від 10-6 до 106 Ом (менші величини опорів вимірюють подвійними мостами, більші -одинарними).
Величину опору можна визначити простим посереднім способом — розрахунком за показаннями амперметра і вольтметра.Амперметр вимірює струм, що проходить по резистору, опір якого необхідно визначити, а вольтметр — напругу, за якої цей струм було одержано.
Можливі схеми для виконання таких вимірювань наведено на рис. 3.
При вимірюванні за обома схемами величина вимірюваного опору:
де U — вимірювана напруга, В;
I — виміряний струм, А.
У випадках, коли вимірювання проводять при напругах у десятки вольт, а величиною падіння напруги на опорі амперметра нехтують, слід застосовувати схему, зображену на рис. 3, а. Якщо ж величина опору rх несумірно менша за величину опору вольтметра, то слід застосувати схему рис. 3, б.
Слід зауважити, що наведені схеми придатні в основному для вимірювань, коли точність визначення величини опору може бути відносно невеликою, бо при підрахунках можливі декілька похибок: амперметра, вольтметра і неодноразового зняття з них показань (бо за час спостереження оператором за кількома приладами можлива зміна напруги джерела живлення, яка при малій величині цієї зміни може залишитись непоміченою). Крім того, наведені схеми прості лише у вимірювальній частині. Насправді ж, коли величина опору rхневідома навіть приблизно, між джерелом живлення і вимірювальною схемою має бути ввімкнений пристрій для регулювання напруги, що подається на схему. В разі відсутності такого пристрою, коли величина опору rх істотно менша за очікувану, можливе пошкодження як амперметра, так і джерела живлення значним струмом, споживаним вимірюваним опором rх. Можливе пошкодження і самого вимірюваного опору.
2) Визначення величини ємності у конденсаторах
При роботі в електричних полях змінного струму у діелектриках виникають втрати потужності. Здебільшого вони йдуть на розігрів діелектрика й прилеглих до нього частин електроустаткування. Величину цих втрат Рвт можна підрахувати за досить простим виразом (якщо електричне поле в діелектрику буде рівномірним):
Рвт= U2ωCtgδ
де U — напруга, що створює електричне поле в діелектрику;
ω — кругова частота напруги;
С — ємність ділянки діелектрика, до якої з обох боків прикладено напругу, що створює в ньому рівномірне електричне поле;
tg δ — тангенс кута діелектричних втрат.
Якщо з визначенням величин напруги, частоти і ємності все ясно, то спосіб визначення величини tg 5 досі ще був невідомий. Виявляється, що цю величину можна визначати поряд із величиною ємності вимірювальними мостами, схеми яких зображено на рисунках.
При вимірюваннях за першою схемою та при повній рівновазі мосту (коли r1 = r2): tg δ = ωC3r3.
При вимірюваннях за другою схемою і при аналогічній умові:
tg δ = 1/ωC3r3.
При вимірюваннях за обома схемами величина вимірюваної ємності Сх = С3, якщо величина tg δ не занадто велика.
3) Вимірювання індуктивності та добротності
При виготовленні зв'язної KB апаратури нерідко виникає необхідність зміряти добротність і індуктивність котушок (звичайно в межах від одиниць до декількох десятків мікрогенрі). Якщо ваш приймач або трансивер мають S-метр, то нескладна приставка дозволить використовувати їх для визначення індуктивності. А якщо S-метр достатньо точно відкалібрований, то, користуючись його показами, можна оцінити і добротність котушки.
Схема приставки показана на рисунку. Приставка складається з генератора з кварцевою стабілізацією частоти і вимірювального ланцюга. Частота генерації, природно, вибрана в межах одного з любительських діапазонів. В даному випадку був застосований кварцевий резонатор на частоту 3579 КГц (від блоків кольоровості телевізорів системи NTSC).
Схема простого Q-метра
У загальному випадку точне значення частоти неістотно - вона впливає лише на перелічувальний коефіцієнт у формулі для розрахунку індуктивності. Для вказаної вище частоти ця формула має вигляд:
L = 1974/С
де L - індуктивність досліджуваної котушки (мкГн), С - місткість вимірювального контура (нФ).
Нижній на схемі конденсатор розділений на два включених послідовно (С5 і С6). Малий по величині сигнал знімається з конденсатора С6. Велика місткість цього конденсатора практично виключає його вплив на параметри вимірювального контура. Цей конденсатор повинен бути високої якості, зокрема, мати низький ТКЕ.
Сигнал з генератора поступає на послідовний коливальний контур, утворений котушкою індуктивності, параметри якої треба зміряти, і конденсаторами С7 - С10. Щоб розширити межі вимірювання, перемикачем S1 можна приєднати другу секцію змінного конденсатора, а перемикачем S2 - конденсатор з місткістю, близькою до максимальної для однієї секції КПЕ. Така комбінація дозволяє одержати перекриття по місткості від мінімальної (для однієї секції змінного конденсатора), до потрійного максимального значення місткості цієї секції.
Конденсатори С9 і С10 утворюють дільник, що ослабляє вихідний сигнал до рівня, який є приємлимий для приймача.
RLС-метр призначений для автоматичного визначення параметрів імпедансу (ємності С, індуктивності L, активного опору R, взаємної індуктивності М, тангенса кута втрат tg і тангенса кута фазового зсуву tg (добротності QC й QL)) по кожній із двоелементних схем заміщення, а також процентних відхилень із поданням результатів вимірів у цифровому виді.
Зовнішній вигляд RLС-метра
RLС-метр може бути використаний для виконання метрологічних робіт, при контролі електро - і радіотехнічних виробів, у наукових дослідженнях, при вимірах неелектричних величин з використанням вимірювальних перетворювачів будь-якого типу.
Вимірник забезпечує:
– автоматичний вибір характеру реактивності об'єкта вимірів за критерієм "переважаючий параметр";
– урахування початкових параметрів;
– усереднення результатів вимірів; усунення впливу мережних перешкод (на окремих частотах);
– вимір з регулюванням значення напруги змінного струму, що подається на об'єкт виміру;
– два режими вимірів: разовий (для виміру невідомих величин); стежучий (для безперервного виміру величин, що змінюються в часі);
– чотирипарне підключення об'єкта виміру.
За допомогою моста (рис. 2.11) параметри реальної котушки Lх і Rх вимірюють методом порівняння зі зразковою котушкою з відомими параметрами LN і RN.
Врівноважують такий міст зміною опору резистора R, який можна увімкнути послідовно зі зразковою або із досліджуваною котушкою. У зрівноваженому мості параметри Lх і Rх досліджуваної котушки визначаються за параметрами зразкової котушки LN і RNзгідно з залежностями:
 ;
 .
Крім зразкової котушки, часто використовують також зразковий конденсатор, ємність якого зручніше змінювати ступенями, ніж індуктивність котушок. Врівноважують міст зміною опору Rn і ємності СN. Параметри досліджуваної котушки визначаються за формулами:
Lx=CNR1R2;
 .
Схема з використанням зразкового конденсатора
ІV. Закріплення
1) Які існують методи вимірювання електричного опору?
2) Які існують методи вимірювання ємності?
3) Які існують методи вимірювання індуктивності?
4) Які існують методи вимірювання добротності?
V. Домашнє завдання
А. М. Гуржій, Н. І. Поворознюк «Електричні і радіотехнічні вимірювання»
Конспект.
|