-
Тема. Прилади для вимірювання опору, ємності, індуктивності, добротності.
Мета. Розглянути особливості приладів, за допомогою яких можна вимірювати опір, ємність, індуктивність та добротність контуру.
Тип уроку. Комбінований урок.
Структура уроку.
І. Організаційний момент
ІІ. Актуалізація опорних знань
ІІІ. Викладення нового матеріалу
1) Прилади для вимірювання електричного опору
Омметри – це прилади для безпосереднього виміру електричних активних (омічних) опорів.
У більшості випадків омметри виконано на основі магнітоелектричного приладу – міліамперметра і вони мають власне джерело живлення – сухий елемент чи суху батарею (напругою 1,5…4,5 В). Щоб забезпечити незалежність показань від зміни величини напруги елемента чи батареї, омметри мають пристрій, що встановлює нулі при відхиленні напруги джерела від номінального значення. Дві найпростіші схеми омметрів зображено на рис. 1. Вони призначені для вимірювань опорів rx, значно більших за величину опору додаткового резистора rд (рис. 1.а), та для вимірювань опорів rx, сумірних з величиною rд, і до значно менших, ніж величина опору вимірювального механізму rв (рис. 1.б)
Рис. 1
В обох системах додатковий опір rд, що є у приладі, обмежує величину струму, який проходить через вимірювальний механізм Впри замкненому ключі та дуже малих опорах rx.
Якщо наруга на батареї змінилася (частіш за все зменшилася з часом), то величина струму, що проходить через вимірювальний механізм В, буде недостатньою для того, щоб стрілка приладу досягла останньої позначки шкали, яку позначено як “нуль” для схеми рис. 1.а. Тоді за допомогою регулювального магнітного шунта, який є у вимірювальному механізмі, при замкнутому контакті збільшують робочий магнітний потік у вимірювальному механізмі так, щоб стрілка досягла нульової позначки.
Якщо ж приладі, схему якого зображено на мал. 1.б, напруга батареї зменшилась, то при відімкненому опорі rx, так само встановлюють стрілку приладу на кінцеву позначку шкали, яку позначено знаком “ ”.
Виготовлення вимірювального магнітоелектричного механізму з магнітним шунтом значно ускладнює його конструкцію. Тому в більшості випадків омметри виконують на основі магнітоелектричного механізму з нерегульованим магнітним шунтом, а змінюючи величину опору регульованих резисторів, прилад налаштовують на різні напруги джерела живлення.
Більш досконалими є омметри, виконані на основі магнітоелектричних логометрів, бо їх показання не залежать від зміни, у певних межах, величини напруги джерел живлення. Принципову схему такого омметра, призначеного для вимірювання великих і малих опорів, показано на мал. 2.
Рис. 2
Як відомо, логометри – це прилади, у яких відхилення стрілки залежить від відношення струмів, що проходять по їхніх схрещених рамках. Зі схеми (мал. 2.3) видно, що величина струму в першій рамці пропорційна величині напруги джерела живлення, тому що опір кола цієї рамки – незмінний, бо визначається величинами опору самої рамки Р1 і величиною опору додаткового резистораrд. Щодо струму, який проходить через другу рамку Р2, то він пропорційний тій самій напрузі і обернено пропорційний величині вимірювального опору rx. Кут відхилення стрілки логометра залежить від частки поділу величини струму у першій рамці на величині струму у другій рамці, тобто буде пропорційний величині опору rx.
Шкали омметрів градуйовані безпосередньо в омах (або кілоомах) і завжди нерівномірні. Тому клас точності цих приладів, що позначений цифрою на їхніх шкалах, відповідає найбільшій допустимій похибці вимірювання опорів у відсотках від довжини робочої частини шкали.
Точність вимірювань опорів на кінцевих (або початкових) ділянках шкал цих приладів, де поділки стиснуто між собою, надзвичайно мала. В усякому разі на цих ділянках шкали можуть виникнути похибки вимірювання опору, що досягають 5…10% (а то і більше!) від вимірюваної величини опору.
Крім того, при малих значеннях напруги джерел живлення (1,5 …4,5 В) і реальних величинах номінального струму вимірювальних механізмів (а це не менше 50 мкА), реальні величини опорів, що вимірюються омметрами, невеликі й не перевищують 1..3 МОм. Це також є об’єктивним недоліком омметрів.
Мегомметри – це омметри для безпосереднього вимірювання дуже великих електричних опорів (більших за 105 Ом), наприклад, опорів ізоляції обмоток трансформаторів, електричних машин і апаратів.
Вимірювальну частину мегомметрів завжди виконують на основі магнітоелектричних логометрів, а джерелом живлення у більшості випадків є генератор напруги постійного струму з досить високою номінальною напругою (від 100 до 2500 В).
Генератор і вимірювальна частина змонтовані всередині корпуса мегомметра. Зовні корпуса є лише приводна ручка, за допомогою якої якір генератора, через зубчасту передачу, приводиться до руху. Нормальна частота обертання ручки оператором – 120 обертів за хвилину. Відхилення від цієї частоти обертання, особливо у бік її збільшення, не призводить до суттєвої зміни напруги генератора через наявність у нього відцентрового регулятора напруги.
Є також мегомметри з живленням від мережі змінного струму, бувають і з живленням від батарей сухих елементів чи від акумуляторів з перетворювачами постійного струму низької напруги у постійний струм високої (100…2500 В).
2) Прилади для вимірювання ємності
Мікрофарадметр — це прилад для прямого вимірювання величин ємностей. Ці прилади у тих виконаннях, які поширені в Україні, здатні вимірювати величини ємностей від десятих часток мікрофаради й до десятків мікрофарад.
Мікрофарадметри виконують на основі електродинамічного чи електромагнітного логометра.
Принципову схему вимірювальної частини електродинамічного мікрофарадметра зображено на рисунку.
Принципова схема електродинамічного мікрофарадметра
На цій схемі обмотка нерухомої котушки приладу WH послідовно з'єднана з конденсатором С1 й приєднана до мережі змінного струму. Обмотку рамки рухомої частини логометра W1 через конденсатор С2 також приєднано до мережі. Конденсатор, величину ємності якого вимірюють Сх, увімкнений послідовно з обмоткою іншої рамки логометра W2 і їхнє коло також приєднане до мережі.
Рамки W1 і W2 жорстко зкріплені між собою та з віссю рухомої частини, на осі також закріплено стрілку. Струм до рамок W1 і W2проходить через три "безмоментних" струмопідводи.
Через наявність малих опорів всіх обмоток логометра, струми в усіх трьох його обмотках по фазі майже збігаються між собою, і величини обертових моментів, створених взаємодією струмів І1, та І2, а також І1, та І3, залежать від величини цих струмів. Самі ж величини струмів залежать від величини прикладеної напруги U (а це напруга мережі) і від величини реактивних опорів конденсаторів, ввімкнених послідовно з обмотками. Конденсатори С1 і С2 вмонтовано в прилад, і величини їхніх ємностей незмінні. Тобто незмінними, при незмінній напрузі мережі, є і струми І1 та І2. Що ж до струму І3, то його величина повністю визначається величиною реактивного опору ємності вимірюваного конденсатора Сх, і буде тим більшою, чим більшою є величина цієї ємності.
Рамка W2 створює діючий обертальний момент, величина якого буде тим більшою, чим більшою є величина ємності конденсатора Сх. Рамка W1 по витках котрої проходить струм, що визначається величиною ємності конденсатора С2, створює момент протидії, який залежить також і від величини кута повороту рухомої частини приладу. Зі збільшенням кута між стрілкою, закріпленою на рухомій частині приладу, і нульовою позначкою шкали момент протидії цієї рамки збільшується.
Рухома частина приладу, після його вмикання, стане нерухомою саме тоді, коли обертальний момент дії, створюваний рамкоюW2, дорівнюватиме моменту протидії рамки W1 При цьому стрілка приладу вказуватиме на відмітку шкали, що відповідає величині ємності вимірюваного конденсатора Сх.
Зміна величини напруги мережі, до якої підімкнено прилад (звичайно — у межах допустимого), має не викликати зміни показань приладу, бо однаково впливає на струми в усіх трьох вітках приладу, тобто й на величини обертових моментів дії і протидії. Це не спричиняє появи різниці між моментами у положенні стрілки (і рухомої частини) приладу, що відповідає величині вимірюваної ємності. Тобто результати вимірювань ємності дійсно не залежать від величини напруги мережі.
Схема мікрофарадметра, що розглядається, спрощена й показує лише принцип дії приладу. Реальна схема, змонтована у приладі, має ще пристрій для попередньої перевірки відсутності пробою ізоляції конденсатора, величину ємності якого потрібно виміряти. Необхідність такої перевірки пояснюється тим, що вмикання для вимірювання несправного конденсатора може вивести прилад із ладу. Як вже зазначалося, величини опорів рамок у подібних приладах намагаються зробити щонайменшими. Тому вмикання послідовно з рамкою W2 конденсатора з пошкодженою ізоляцією (тобто з замкненими між собою електродами) призведе до приєднання рамки до повної напруги мережі, появи значного струму й перегорання "безмоментних" струмопідводів, а то й обмотки цієї рамки.
Мікрофарадметри виготовляють також і на основі електромагнітних логометрів. За схемою вони простіші за ті, що виконані на основі електродинамічних логометрів, бо не мають ні обмоток на рухомій частині приладу, ні "безмоментних" струмопідводів.
Як електродинамічні, так і електромагнітні мікрофарадометри розраховано на обмежену точність вимірювань ємності (звичайно — не вище класу 1,0).
Вада всіх мікрофарадметрів, що полягає у неможливості вимірювань ємностей значних величин, частково може бути зменшена, якщо застосовувати вмикання вимірюваної ємності значної величини (щоб її величина була не більшою за номінальну ємність, вимірювану мікрофарадметром, у 4...5 разів) послідовно зі зразковим конденсатором величини, близької до номінальної величини ємності, вимірюваної цим приладом.
ІV. Закріплення
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?
V. Домашнє завдання
А. М. Гуржій, Н. І. Поворознюк «Електричні і радіотехнічні вимірювання»
|