23. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора.

Рис. 3. Схема конденсаторного частотомера.

Сущность метода заряда и разряда конденсатора заключается в измерении тока разряда конденсатора, попеременно переключаемого с заряда на заряд, с частотой , равной измеряемой. Пусть конденсатор C (рис. 3.) заряжается до напряжения U1 и разряжается до напряжения U2. Тогда за одно переключение переключателя П на заряд и разряд количество электричества, подводимое к конденсатору и отдаваемое им микроамперметру, q = С U, где U = U1 – U2. При переключении f раз в секунду количество электричества, протекающее через прибор в 1 сек., т.е. ток через микроамперметр, I = qf = CUf.

Следовательно ток, протекающий через микроамперметр, связан линейной зависимостью, с частотой переключения конденсатора

. При условии, что частота переключений f равна измеряемой fизм, показания прибора прямо пропорциональны fизм.

В этом приборе переключателем служит электронный коммутатор, осуществляющий переключения с частотой fизм при подаче на его вход напряжения измеряемой частоты.

Для обеспечения линейной зависимости показаний прибора от частоты в схеме частотомера предусматривается ограничитель, поддерживающий постоянство верхнего U1 и нижнего U2 уровней напряжения на обкладках конденсатора во всём рабочем диапазоне частот.

Пределы измеряемых частот (поддиапазоны) регулируются изменением ёмкости С конденсатора и шунтированием микроамперметра.

Пределом конденсаторного частотомера с непосредственным отсчётом может служить прибор Ч3-7, позволяющий измерять частоты колебаний в диапазоне 10 Гц – 200 кГц (11 поддиапазонов) при уровне входного напряжения Uвх = 0,5 – 200 В. Основная погрешность прибора составляет 1.5 % во всём диапазоне, кроме поддиапазона 200 кГц, где она доходит до2%.

24. Резонансный и гетеродинный методы измерения частоты

Среди методов, позволяющих измерять частоту с высокой точностью, весьма распространен гетеродинный метод. Он заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина. Приборы, в которых используется этот метод, называют гетеродинными частотомерами или волноводами.

Работа гетеродинного частотомера рис.3 и методика измерений сводятся к следующему. В положении И переключателя П на смеситель поступают одновременно колебания двух частот: измеряемой f_изм и гетеродина f_г. На выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, и в том числе частоты биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, фиксируемых по индикаторному прибору. Индикатор может быть тональным (телефоны) или визуальным (осциллограф, электронно-световая индикаторная лампа, стрелочный прибор). После получения нулевых биений по шкале гетеродина определяют частоту его колебаний и, следовательно, f_изм, так как при нулевых биениях

f_изм= f_г. Точность измерений зависит от точности образцовой меры, т.е. от стабильности частоты и постоянства градуировки гетеродина, а также точности сравнения и фиксации нулевых биений.

рис.3.Функциональная схема гетеродинного частотомера.

Для уменьшения погрешности, связанной с градуировкой гетеродина, в схемах многих частотомеров предусмотрен кварцевый генератор. С его помощью проверяют и корректируют градуировку шкалы. Эту операцию производят до начала измерений неизвестной частоты. Для этого переключатель рода работ ставят в положение К. А к смесителю, помимо гетеродина, оказывается подключенным кварцевый генератор, колебания которого содержат много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте «кварцевой точке». Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые при помощи «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от f_изм точках, производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировку. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.

В диапазоне СВЧ нередко применяют гетеродины, основная частота колебаний которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с n-й гармоникой гетеродина при нулевых биениях: f_изм= nf_г.

Согласно ГОСТ 9771 – 61 гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами: классом точности, диапазоном измеряемых частот, диапазоном частот гетеродина, значениями опорных частот и их погрешностью, чувствительностью и др.

Опорными частотами – называют частоты кварцевого генератора, по которым калибруют шкалу гетеродина.

Предусмотрены 3 класса точности гетеродинных частотомеров (I, II, III), характеризуемые основной относительной погрешностью: 5∙10^-6; 5∙10^-5 и

5∙10^-4 ( погрешности опорных частот соответственно : 5∙10^-7; 5∙10^-6 и 5∙10^-5), причем в приборах класса II и III не допускается применение градуировочных и поправочных таблиц или графиков.

Резонансный метод измерения частоты. Резонансный метод — основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области СВЧ.

Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером(вид Ч2). Колебательная система через элемент связи возбуждается сигналом источника, частоту колебаний которого необходимо измерить. С помощью органа настройки изменяется частота собственных колебаний колебательной системы до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по индикатору, производят отсчет по шкале настройки колебательной системы.

Основным узлом резонансного частотомера является колебательная система. В приборах высокочастотного диапазона она образуется одной из сменных катушек индуктивности и прецизионным конденсатором переменной емкостью, снабженным шкалой настройки.

Индикатор резонанса — полупроводниковый детектор или термоэлемент с микроамперметром. В качестве примеров резонансных частотомеров можно привести прибор Ч2-1, работающий в диапазоне от 50 кГц до 50 МГц, или частотомер, входящий в гетеродинный переносчик к электронно-счетному частотомеру Ч3-30.

Характерной особенностью резонансных частотомеров СВЧ являются перестраиваемые резонаторы:

• коаксиальные;

• объемные.

Коаксиальные резонаторы бывают двух видов: полуволновой отрезок линии, коротко-замкнутый с двух сторон, и четвертьволновый отрезок, замкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой. Преимущественно применяют резонаторы второго вида, т. к. они конструктивно проще и позволяют получить более высокую добротность.

Коаксиальный частотомер (рис. а) представляет собой резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии регулируемой длины, замкнутой на одном конце и разомкнутой на другом (короткое замыкание осуществляется с помощью четвертьволнового бесконтактного устройства). Резонанс наступает при длине отрезка

где  λ — измеряемая длина волны; p = 0, 1, 2, 3...

Резонансные измерители СВЧ

Длина  ι отрезка линии регулируется перемещением центрального стержня при помощи микрометрического механизма, снабженного отсчетным устройством. Положение стержня, соответствующее резонансу, отмечается по отсчетному устройству. Частота, на которую настроен резонатор, определяется обычно по таблице или графику градуировки, прилагаемым к частотомеру. Имеются и приборы с непосредственным отсчетом в единицах измеряемой частоты.

Для связи резонатора с источником измеряемой частоты и индикатором предусмотрены две петли, которые помещают в области максимального магнитного поля (магнитная связь), т.е. у короткозамкнутого конца линии. Одна петля представляет собой окончание коаксиального кабеля, соединяющего резонатор с источником. Вторая петля (индикаторная) связана с детектором, к которому подключен микроамперметр.

Непосредственная связь петель ничтожно мала, и напряжение на детекторной петле наводится лишь тогда, когда резонатор настроен в резонанс с возбуждающими его колебаниями. Связи выбираются такими, чтобы частотомер обладал требуемой чувствительностью при высоком значении нагруженной добротности. При измерении частоты радиоимпульсов чувствительность может оказаться недостаточной. Поэтому в частотомерах для измерения частоты заполнения импульсных сигналов применяют усилитель. Так, например, в приборе Ч2-9А имеется трехкаскадный усилитель на транзисторах.

Коаксиальные частотомеры применяются в сантиметровом диапазоне волн и нижней части дециметрового диапазона.

В нижней части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне применяютчастотомеры с объемными резонаторами главным образом круглыми цилиндрическими.

Подобный резонатор можно рассматривать как отрезок круглого волновода, короткозамкнутый с двух сторон. На одном конце отрезка — неподвижная торцевая стенка, на другом — перемещающийся короткозамыкающий поршень (рис. б и в). При перемещении поршня изменяется длина L резонатора, вследствие чего изменяется частота его собственных колебаний.

Резонанс наступает при L = рΛ/2 (Λ— длина волны в круглом волноводе). Все частотомеры с объемными резонаторами—градуированные приборы.

В качестве примеров частотомеров с объемным резонатором могут быть названы приборы Ч2-31 и Ч2-36, применяемые соответственно в диапазонах частот 12-16,6 и 52,6-79 ГГц.

Погрешности измерений. Мерой в данном случае является резонатор. Ее погрешности обусловлены рядом причин: низкой нагруженной добротностью резонатора Q_н, т. е. тупой резонансной кривой; погрешностями, вносимыми при получении градуировочной характеристики прибора; изменением окружающей температуры, вызывающим изменения размеров резонаторов; изменением влажности окружающей среды.

Погрешность сравнения складывается из таких составляющих:

а) погрешность настройки в резонанс. Она чаще всего обусловлена недостаточной тщательностью выполнения правил настройки и наличием люфта в механизме перемещения поршня в резонаторе;

б) погрешность, связанная с недостаточной энергетической чувствительностью. Для уменьшения погрешности применяют чувствительные индикаторы, а при импульсном режиме— усилители.

Погрешность фиксации результата измерения может появиться из-за нетщательного снятия отсчета по шкале микрометра, а также при неумелом (невнимательном) пользовании градуировочными графиками или таблицами.

На резонансные измерители частоты установлены восемь классов точности, соответствующих допускаемым основным погрешностям, выраженным в процентах: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Краткие сведения по технике измерений.

Резонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами:

• класс точности;

• допускаемые дополнительные погрешности;

• диапазон измеряемых частот;

• запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами;

• чувствительность;

• максимальный размер мощности измеряемого сигнала;

• среднее время безотказной работы.

При включении резонансного частотомера в СВЧ тракт возможны два вида схем включения: проходная (рис. а) и реактивная (рис. б)

 Схемы включения частотомера в трактПри настройке частотомера рекомендуется подходить к положению резонанса плавно с одной стороны, так как при этом уменьшаются погрешности, связанные с люфтом в механизме перемещения поршня резонатора.

С целью повышения точности измерение частоты проводят методом «вилки», который заключается в том, что для определения резонансной частоты берут два отсчета частоты  f₁ и f₂, соответствующие одинаковым показаниям стрелочного индикатора по обе стороны от положения резонанса. За резонансную частоту принимают среднее арифметическое из этих отсчетов.

25. Электронно - счетный частотомер и режиме измерения чистоты, структурная схема, принцип действия, составляющие погрешности измерения и пути ее уменьшения.

Основные узлы частотомера. Формирующее устройство строится по различным схемам. Оно может состоять из усилителя-ограничителя, преобразующего синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, дифференцирующей цепи и одностороннего ограничителя. На выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду измеряемого сигнала. Часто для формирования прямоугольных импульсов из синусо­идального напряжения применяют несимметричный триг­гер (триггер Шмитта).

Кварцевый генератор — источник сигнала высокоста­бильной частоты — служит образцовой мерой, воспроиз­водящей калиброванный интервал времени. Напряжение кварцевого генератора преобразуется в импульсы, кото­рые подаются в делитель частоты. Часто кварцевый ге­нератор дополняется умножителем частоты.

Делитель частоты представляет собой набор q декад, каждая из которых уменьшает частоту следования им­пульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получа­ется равным 10^q. В зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следова­ния. Так, при f_KB=10 МГц эти частоты 1 МГц; 100, 10 и 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования импуль­сов определяют продолжительности интервалов времени счета, т. е. временные ворота: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10 с.

Узел формирования и управления содержит схему формирования временных ворот, реле времени индикации и сброса показаний счетчика на нуль, переключатель видов измерений.

Схема формирования временных ворот, на которую подаются импульсы с выхода одной из декад, вырабатывает стробирующий импульс, отпирающий вход счетчика на время Δt_к. Она состоит из двух триггеров T₁ и Т₂ (рис. 3.). В исходном состоянии схемы триггер Т₁ находится в положении 1, а триггер Т₂ — в положении 0. Первый отрицательный импульс поступает с выхода делителя частоты одновременно на входы 01 и 02 обоих триггеров. На триггер Т₂ импульс непосредственно не действует, а триггер Т₁ он перебрасывает в положение 0. При этом на выходе А₁₁ возникает отрицательный перепад напряжения. В результате дифференцирования он преобразуется в отрицательный импульс, подводимый ко входу 12 триггера Т₂ и перебрасывающий последний в положение 1. На выходе А₁₂ появляется положитель­ный перепад напряжения, который является фронтом стробирующего импульса, подаваемого на вход 2 селектора.

Рис. 3. Структурная схема электронно-счетного частотомера (режим измерения частоты).

Второй отрицательный импульс, поступающий с де­лителя частоты на вход схемы, т. е. одновременно на входы 01 и 02 триггеров, не изменяет состояния триггера Т₁ но перебрасывает триггер Т₂ в положение 0. На­пряжение на выходе А₁₂ резко падает, и таким образом формируется срез стробирующего импульса. Второй триггер также становится нечувствительным к отрицательным запускающим импульсам. Следовательно, после прихода первых двух отрицательных импульсов с выхода делителя триггеры не реагируют на остальные импульсы, поступающие на вход схемы формирования. Они остаются в таком состоянии до тех пор, пока на вход 11 триггера Т₁ не будет подан отрицательный импульс сброса, возвращающий триггер Т₁ в первоначальное положение и подготавливающий схему к новому формированию временных ворот. Импульс, формируемый на выходе А₁₂ триггера Т₂ и передаваемый на селектор, имеет длитель­ность, равную интервалу времени между двумя импуль­сами, снимаемыми с делителя. Длительность вырабаты­ваемого триггером Т₂ прямоугольного стробирующего импульса зависит от того, с выхода какой декады пода­ются импульсы на вход схемы формирования временных ворот.

Реле времени индикации и сброса по­казаний на нуль задает определенную продолжительность времени индикации результата измерений. Его работа заключается в том, что оно вырабатывает через определенное регулируемое время (время измерений) импульс, возвращающий декады счетчика и триггер Т₁ схемы формирования временных ворот в начальное поло­жение, т. е. подготавливает узлы прибора к новому изме­рению. Кроме того, этот импульс держит в запертом со­стоянии триггер Т₁ схемы формирования до окончания процесса переброса декад счетчика в начальное положе­ние, т. е. до сброса показаний в нуль.

Рис. 4. Схема формирования «временных ворот».

Погрешность меры. Поскольку мерой служит кварце­вый генератор, то данная погрешность определяется не­стабильностью частоты' колебаний генератора, погрешностью установки частоты генератора по образцовой частоте при выпуске с завода-изготовителя и погрешностью образцовой меры, по которой устанавливалась частота.

Например, средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора частотомера Ч43-39 не превышает следующих значений: ±1·10 ^-10 за 1 с; ±5·10 ^-9 за сутки.

Погрешность преобразования. Эта разновидность погрешности связана с формированием импульсов из напряжения гармонического сигнала. Она может возникать из-за нестабильности порога срабатывания и гистерезиса триггера Шмитта. Однако современная техника формирования располагает схемными решениями, позволяющими сделать данную составляющую погрешности весьма малой.

Погрешность сравнения. Как и при измерении интервалов времени, определяется главным образом погрешностью дискретности, появляющейся по той же причине: фронт и срез временных ворот не синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов. Максимальная величина абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 младшего разряда счета.

Taк как счетчик частотомера фиксирует п импульсов время Δt_к и согласно формуле f_изм=п/t_к, то при Δ_n = ±1 абсолютная погрешность дискретности

4)

причем значение Δ_f выражено в герцах, если интервал Δt_k выражен в секундах.

Относительная погрешность дискретности

(5)

Погрешность фиксации результата сравнения может иметь место только при ненормальном функционировании счетчика (предполагается, что он правильно выбран по емкости и быстродействию).

Предел допускаемой абсолютной погрешности электронно-счетного частотомера характеризуется выражением

(6)

где – общая погрешность меры (кварцевого генератора).

Соответственно предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения, δ_пред=100 Δ_пред/f_изм.

Из формул (6) и (7) можно заключить, что в области низких частот погрешность дискретности явля­ется определяющей. Так, при f_изм=10 Гц (Δt_K=l с и δ_кв=10^-7) абсолютная погрешность дискретности со­ставляет 1 Гц и полностью характеризует общую абсо­лютную погрешность Δ_f=±(10^-6+l) Гц≈±1 Гц. От­носительная погрешность составляет 10%, что недопу­стимо много при решении ряда задач.

Из сказанного следует вывод, что из-за больших погрешностей дискретности низкие частоты непосред­ственно измеряются электронно-счетным частотомером с невысокой точностью.

25. Осциллографические методы измерения фазы.

Фаза электромагнитного колебания относится к числу основных параметров, определяющих состояние колебательного процесса в заданный момент времени. Для

гармонического колебания U1= Um1sin(at+ ) (рис. 1) фаза определяется аргументом синусоидальной функции Ф=at+ , где - начальная фаза колебания.

Для двух синусоидальных колебаний U1 и U2 одинаковой частоты (рис.1) разность

начальных фаз называют углом сдвига фаз этих колебаний. Угол сдвига фаз обычно находят при условии, что один из сигналов является опорным, а его начальная фаза равна нулю. Тогда второй сигнал имеет начальную фазу, совпадающую с углом сдвига фаз.

Пределы измерения угла сдвига фаз определяют область значений угла сдвига фаз, измеряемых прибором с нормированной погрешностью. Современные фазометры обеспечивают измерение угла сдвига фаз в пределах 0...3600 или от -180° до +180° в широком диапазоне частот входных сигналов от 20 Гц до 20 ГГц.

Методы и средства измерения угла сдвига фаз.

Методы измерения угла сдвига фаз делят на осциллографические, компенсационные, сумарно-разностные и с преобразованием фазового сдвига во временной интервал.

Осциллографические методы измерения разового угла относятся к простейшим, обеспечивающим погрешность измерения в пределах 2... 5°. Фазовый сдвиг определяют по характеру и форме осциллограмм. К числу осциллографических методов относят метод линейной развертки, метод эллипса, метод круговой развертки и метод яркостных меток.

При методе линейной развертки на экране двухлучевого или двухканального осциллографа, наблюдают оба напряжения U1 и U2, как показано на рис.1. Измеряя отрезки ab и ad на осциллограмме, определяют фазовый сдвиг по формуле

При использовании метода эллипса на входы X и У электронного осциллографа подают исследуемые напряжения U1-U1sinat и Uy=U2sin(at+ )на экране осциллографа появляется изображение эллипса (рис.2), уравнение которого имеет вид

где А и В размеры эллипса по осям X и Y.

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Приняв X = 0, получим Yо.= Bsin Аналогично при Y=0, получим Хo=Asin

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Если перед началом измерений уравнять максимальные отклонения луча по осям X и Y , т.е. сделать А = В, то угол сдвига фаз можно определить по формуле

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Другой способ измерения угла сдвига фаз сводится к вычислению площади эллипса. При обозначениях принятых на рис. 2, площадь эллипса Sэ= ab, а угол сдвига фаз

рассчитывают по формуле

sin =4Sэ / So

где So=4AB - площадь прямоугольника, в который вписан эллипс.

К недостаткам метода эллипса относится сложность установления знака угла сдвига фаз. Установить знак фазового угла можно, если учесть, что при положительных углах луч, описывающий эллипс, вращается в одну сторону, а при отрицательных в другую.

Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки выполняют по схеме, изображенной на рис. 3. с помощью электронного, осциллографа С1-93.

Рис.3.

Измеряется угол сдвига фаз, вносимый исследуемым четырехполюсником. Для этого напряжение, подводимое ко входу четырехполюсника, поступает на вход У2 электронного осциллографа С1-93, а напряжение с выхода четырехполюсника — на вход У1. В результате на экране осциллографа получают изображения двух напряжений, сдвинутых на некоторый угол, как показано на рис.1. Расчет угла сдвига фаз выполняют по формуле (1).

Для определения действительного значения угла сдвига фаз используют цифровой фазометр Ф2-16, входы А1 и Б1 подключают параллельно входам У1 и У2 электронного осциллографа С1-93.

При измерениях напряжение на выходе генератора, по результатам измерений угла сдвига фаз образцовым фазометром обр. и электронным осциллографом рассчитывают абсолютного погрешность измерений

25. Цифровой фазометр: структурная схема, принцип действия, составляющие погрешности.

Фазометр предназначен для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями. Электронный фазометр дает одновременно информацию о знаке и величине угла сдвига фаз, что делает ее более наглядной.

Построение входных цепей фазометра позволяет измерять угол сдвига фаз не только между двумя напряжениями, но и между током и напряжением или между двумя токами, для чего входные делители снабжены соответствующими выводами.

Электронный фазометр имеет линейную шкалу, что облегчает его тарировку. Для этого в качестве калибровочных напряжений следует взять два линейных напряжения трехфазной сети (угол сдвига фаз линейных напряжений составляет 120 эл. град.). В процессе тарировки необходимо согласовать калибровочные напряжения с допустимым уровнем входных напряжений.

Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дискретности связана с тем, что интервал времени t можно измерить с точностью до одного периода счётных импульсов. Аппаратурная погрешность определяется отклонением длительности от t, нестабильностью преобразователя t и пр.

Для уменьшения погрешностей измерения используют цифровые фазометры среднего значения, результатом измерения которых является среднее значение измеряемого фазового сдвига за большое число периодов Т анализируемого гармонического колебания.

25. Омметры: структурные схемы, принцип действия.

На рис. 5 а показана последовательная схема омметра. В нее входят миллиамперметр, источник тока (элемент или батарейка), добавочное сопро­тивление R и переменное сопротивление R₁. Когда зажимы измеряемого со­противления R_x разомкнуты, то в приборе тока нет, и положение стрелки, находящейся в начале шкалы, отмечается знаком ∞, что соответствует бес­конечно большому R_x. При замыкании зажимов R_x накоротко ток в приборе максимален, и стрелка должна дать полное отклонение, которое отмечается

Рис. 5. Омметры по последовательной (а) и па­раллельной (б) схемам.

знаком 0. Различным значениям R_x соответствуют различные токи, а следовательно, и различные отклонения стрелки. Шкала прибора градуируется в омах. Она получается неравномерной (сжатой в области больших сопротив­лений). Измерения с достаточной точностью получаются при R_x в преде­лах от 0,1 R до 10 R. Изменяя R₁ которое в 10—20 раз больше сопротив­ления самого прибора, можно в некоторых пределах компенсировать изменение напряжения батареи. Ручкой переменного сопротивления R₁ перед началом измерения устанавливают стрелку на нуль, замкнув накоротко за­жимы R_x.

В некоторых омметрах для установки нуля вместо электрического шунта R₁ применяется магнитный шунт в виде стальной пластинки, которую можно перемещать между полюсами магнита миллиамперметра. В пластинку ответ­вляется часть магнитного потока, и, таким образом, регулируется чувствитель­ность прибора. Обычный корректор, имеющийся у всех приборов и вращае­мый отверткой, служит в омметрах для установки стрелки на ∞. Перед пользованием омметром сначала проверяют установку на ∞ и, если нужно, поправляют ее с помощью корректора, а затем осуществляют установку на нуль ручкой шунта. Если не удается установить стрелку на нуль, то это сви­детельствует об истощении батарейки. Для расширения пределов измерения в сторону больших значений R_x надо увеличить R и напряжение батареи.

Измерение малых сопротивлений иногда производят по схеме параллель­ного омметра (рис. 5 б), в которой R_x присоединяется параллельно милли­амперметру, а добавочное сопротивление R должно быть значительно боль­ше сопротивления самого прибора R_n. Для установки на бесконечность (при разомкнутых зажимах R_x) служит переменное сопротивление R₁. В этом омметре шкала имеет нуль слева, а бесконечность справа. Пределы изме­ряемых сопротивлений примерно от 0,1 R_n до R_n.

Специальные омметры для измерения очень больших сопротивлений на­зываются мегомметрами. В качестве источника тока они обычно имеют ин­дуктор, т. е. магнитоэлектрический генератор, вращаемый с помощью ручки и дающий напряжение порядка 100—200 в. Такие приборы могут быть и с питанием от выпрямителя или преобразователя.

25. Мостовые измерители R, L, С: принципиальные схемы, принцип действия, основные соотношения.

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, ёмкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают высокой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые цифровые приборы. Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения параметров: четырёхплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может управляться как вручную, так и автоматически. Для выполнения уравновешивания необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд наиболее удобно применять Эталонное регулируемое активное сопротивление. Элементом, обеспечивающим условием равновесия фаз, служит эталонный конденсатор ёмкостью С0 с малыми потерями.

При измерении таких параметров электрических цепей, как сопротивление, емкость, индуктивность, добротность катушки и тангенс угла диэлектрических потерь, широкое применение получили мостовые схемы (МС).

Измерение с помощью МС заключается в сравнении измеряемых элементов с образцовыми элементами. МС позволяют производить измерения в широких диапазонах от 10-8 до 1010 Ом, с высокой точностью (погрешность от 0,02–2%).

Это обеспечило популярность мостовых схем среди других методов измерений. По роду тока различают мосты постоянного и переменного тока, по количеству плечей мосты бывают четырехплечие и шестиплечие.

На рисунке 1 приведена простейшая схема одинарного моста. Плечо 1-2 называется выходным, в него включается нагрузка в виде нуль-индикатора или гальванометра. Ток в плече 1-2 находится из соотношения:

   I₀=(Z₁Z₄–Z₂Z₃)/[Z₀(Z₁+Z₂)(Z₃+Z₄)+Z₁Z₂(Z₃+Z₄)+Z₃Z₄(Z₁+Z₂)];

Из выражения видно, что I₀=0 только при условии:

   Z₁Z₄=Z₂Z₃; где Z- модули комплексных сопротивлений

Если комплексные сопротивления Z представить в развернутом виде Z=R+jX, получим выражение для полного сопротивления:

   R₁R₄–X₁X₄=R₂R₃–X₂X₃;    R₁X₄+X₁R₄=R₂X₃–X₂R₃;

Наличие двух уравнений указывает, что уравновешивание моста производится регулированием двух параметров. Мост называется сходимым, если удается уравновесить его путем поочередного изменения регулируемых параметров.

Чтобы получить уравнение равновесия для реактивных элементов, представим комплексные сопротивления в показательной форме:

  Z=z^*e^jφ;

Где φ- их соответствующие фазы

Тогда условие сходимости моста для реактивных элементов будет выглядеть так:

   z₁z₄=z₂z₃;    φ₁+φ₄=φ₂+φ₃.

Последнее выражение показывает, какая очередность подключения реактивных элементов позволит уравновесить мост. Так, например, если смежные плечи Z₁ и Z₂ имеют чисто активное сопротивление, то два других смежных плечаZ₃ и Z₄ могут иметь индуктивное или емкостное сопротивление.

Если противоположные плечи имеют чисто активное сопротивление, то два других плеча должны иметь индуктивное и емкостное сопротивления, компенсирующие друг друга.

Если неизвестный параметр находится по выражению Z₁Z₄=Z₂Z₃, мост называют уравновешенным. Если измеряемая величина определяется по показаниям гальванометра или милливольтметра – такие мосты называют неуравновешенными.

Недостатком одинарных мостов переменного тока является невысокая чувствительность при определении сопротивлений менее 10 Ом. Дело в том, что соединительные провода и штепсельные разъемы прибора имеют сопротивление сопоставимое с измеряемым сопротивлением.

В этом случае используют МС измерения на постоянном токе с четырьмя зажимами. При измерении Rx более 10 Ом элемент подключают к зажимам 2 и 3, замыкают перемычки 1-2 и 3-4. Измерение происходит по обычной схеме.

Если Rx менее 10 Ом перемычки 1-2 и 3-4 размыкают, а измеряемый элемент подключают в схему четырьмя проводами. Тогда сопротивления r₁ и r₃включены в диагональ и не влияют на схему, а r₂ и r₄ пренебрежимо малы в сравнении с R₃ и R₂.

Измерения сопротивления на постоянном токе более точные, так как гальванометр более чувствителен к отклонениям тока.

Как было указано выше, условие равновесия моста позволяет производить измерения параметров реактивных элементов. При условии, что смежные элементы R₁ и R₂ обладают чисто активным сопротивлением, в два других смежных плеча включаются измеряемый и образцовый элементы.

В качестве примера приведена схема с емкостным элементом Cx, параметры которого предстоит узнать. В смежное плечо включен образцовый конденсатор известной величины С_N.

Схема замещения образцового конденсатора может быть представлена последовательным или параллельным соединением емкости и активного сопротивления, которое обуславливает потери в реальном конденсаторе. Для измеряемого конденсатора также находят Cх и Rх.

Схемы с последовательным соединением C_N и R_N используют при измерениях конденсаторов с малыми потерями. Условие равновесия такого моста записываются в следующем виде:

   Cx=C_NR₂/R₁;    Rx=R_NR₁/R₂;

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле:

   tgδ=ωCxRx=ωC_NR_N;

При измерениях конденсаторов с большими потерями эквивалентная схема реального конденсатора представлена параллельным соединением емкости и активного сопротивления.

Условия равновесия такого моста полностью совпадают со схемой последовательного соединения. Тангенс угла диэлектрических потерь при этом имеет обратное значение:

   tgδ=1/ωCxRx=1/ωC_NR_N;

Схемы мостов с емкостными элементами применяют для определения емкостного сопротивления изоляции высоковольтного оборудования.

Измерение параметров индуктивной катушки может быть выполнено по нескольким схемам: с применением образцовой катушки, включаемой в смежное плечо, с помощью образцового конденсатора, включаемого в противоположное плечо.

Условия равновесия МС с применением образцовой катушки при последовательном включении R с катушкой Lx:

   Lx=L_NR₁/R₂;    Rx=R_NR₁/R₂-R;

При последовательном соединении R с катушкой L_N:

   Lx=L_NR₁/R₂;    Rx=(R_N+R)R₁/R₂;