27

10. ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ.

10.1. Электронные приборы для измерения параметров электрических цепей

10.1.1. Электронные омметры…………….………………….

10.1.2. Приборы для измерения добротности, индуктивности

и емкости…………………………………………………….

10.2. Электронные вольтметры…………………………………

10.2.1 Вольтметры постоянного тока.

10.2.2 Вольтметры переменного тока.

10.2.3 Универсальные вольтметры.

10.2.4 Импульсные вольтметры.

10.2.5 Селективные вольтметры.

10.3. Электронные аналоговые частотомеры и фазометы..

10.3.1 Электронные конденсаторные частотомеры.

10.3.2 Гетеродинные частотомеры.

10.3.3 Резонансные частотомеры.

10.3.4 Электронные аналоговые фазометры.

10.4. Измерительные мосты………………………………………

10.4.1 Мосты постоянного тока……………………………

10.4.2 Мосты переменного тока…………………………..

10.4.2.1 Мосты для измерения емкости и угла потерь……....

10.4.2.2 Мосты для измерения индуктивности……………..

10.5. Компенсаторы………………………………………………….

10.5.1 Компенсаторы постоянного тока………………………..

10.5.2 Компенсаторы переменного тока……………………..

10.5.2.1 Компенсаторы полярно – координатные……………

10.5.2.2 Компенсаторы прямоугольно – координатные……

10.5.3 Автоматические мосты и компенсаторы. …………

10.5.3.1 Автоматические мосты…………………………………

10.5.3.2 Автоматические компенсаторы (потенциометры)……

1. Электронные приборы для измерения параметров электрических цепей.

1.1. Электронные омметры.

Основные достоинства этих приборов:

- широкий диапазон измеряемых сопротивлений (от 10^- 4 до 10¹⁷ Ом),

- просты в эксплуатации.

Основной недостаток – невысокая точность (относительная погрешность от единиц % до (10…15) % при измерении особо больших сопротивлений).

В основе роботы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления R_Х в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое измеряется с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма, шкала которого градуирована в единицах электрического сопротивления. Получили применение схемы омметров с УПТ и с операционным усилителем (ОУ) и цепью отрицательной обратной связи (ООС). Функциональная схема электронного омметра с УПТ имеет вид:

Рисунок 1.1- Функциональная схема электронного омметра с УПТ.

На рисунке использованы следующие обозначения:

ИСН – источник стабильного напряжения U₀,

R_Х – измеряемое сопротивление,

R₀ – известное (образцовое) сопротивление,

U_Х – напряжение, функционально связанное с измеряемым R_Х,

ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм.

Возможны два варианта включения R₀ и R_Х , показанные на рисунке: без скобок (1-й вариант) и в скобках (2-й вариант). В омметрах используется УПТ с большим входным сопротивлением. Поэтому, пренебрегая шунтирующим влиянием входного сопротивления, можно записать уравнения шкалы прибора:

- для первого варианта,

- для второго варианта.

Здесь: α – угол отклонения подвижной части ИМ, k – коэффициент преобразования УПТ и ИМ.

Из приведенных формул видно, что в широком диапазоне измеряемых сопротивлений шкала обеих вариантов омметров неравномерна. Для повышения точности отсчета весь диапазон разбивают на ряд поддиапазонов, каждому из которых соответствует определенное значение R₀ . Этим достигается изменение цены деления шкалы для одних и тех же значений R_Х , а переключением образцового сопротивления выбирают наиболее удобную шкалу ИМ для отсчитывания показаний.

Для уменьшения погрешности измерения, обусловленной нестабильностью работы УПТ, в данных омметрах предусмотрены две регулировки: «Установка нуля» при R_Х = 0 (коррекция аддитивной погрешности) и «Установка ∞» при R_Х → ∞ (коррекция мультипликативной погрешности). Эти регулировки осуществляются путем установки «нуля» УПТ и путем изменения коэффициента усиления УПТ.

Схема омметра с УПТ нашла применение в комбинированных приборах (в частности, в универсальных вольтметрах), в которых УПТ используется для измерения как напряжений, так и электрических сопротивлений на постоянном токе. Диапазоны измерения сопротивления в таких приборах лежат в пределах от 10 Ом до 1000 Мом; основная погрешность порядка нескольких процентов.

Функциональная схема электронного омметра с ОУ, в цепь ООС которого включен резистор R_Х , показана ниже.

Рисунок 1.2 - Функциональная схема электронного омметра с ОУ.

ОУ – это УПТ, имеющий высокий коэффициент усиления по напряжению, малый входной ток (т. е. высокое входное сопротивление) и малое выходное сопротивление. В приведенной схеме потенциал точки «а» близок к нулю, входной ток ОУ мал, поэтому токи, протекающие через резисторы R₀ и R_Х , практически равны. Исходя из этого, можно записать:

- для первого варианта схемы (без скобок);

- для второго варианта схемы (в скобках).

Таким образом, 1-й вариант схемы имеет равномерную шкалу; верхний предел измерений изменяется путем изменения резистора R₀ ; диапазон измеряемых сопротивлений лежит в пределах от 10 Ом до 1000 Мом. При измерении больших сопротивлений (R_Х > 10⁶ …10⁹ Ом) применение 1-го варианта схемы приводит к росту погрешности измерения по двум причинам. Во-первых, при ограниченном значении напряжения U_Х (оно определяется характеристиками ОУ) для измерения больших R_Х требуется большое R₀ (см. уравнение шкалы первого варианта схемы), обеспечить высокую точность которого трудно. Во-вторых, при больших значениях R₀ и R_Х протекающие через них токи оказываются соизмеримыми со входными токами ОУ и токами утечки.

Поэтому применяют 2-й вариант включения R₀ и R_Х . Шкала такого прибора – тераомметра – неравномерна; для повышения точности в этой схеме увеличивают ток, протекающий через R_Х , увеличивая значение напряжения U₀ (до сотен вольт); в схеме можно применять меньшие значения R₀ (см. уравнение шкалы второго варианта схемы). Схема применяется в тераомметрах с верхним пределом измерения (10⁷ …10¹⁷ )Ом; погрешность зависит от поддиапазона измерения и изменяется от 4 до 10%.

Измерение малых сопротивлений (до 10^-4 Ом) осуществляется электронными миллиомметрами. Их функциональная схема соответствует схеме омметра с УПТ. Для уменьшения влияния сопротивлений контактов и соединительных проводов, а также контактных термо – э.д.с., измерения выполняют на переменном токе, используя четырех проводную схему подключения измеряемого резистора R_Х.

1.2. Приборы для измерения добротности, индуктивности и емкости.

Предварительные замечания.

а) Под добротностью контура Q понимают отношение реактивного сопротивления контура на частоте резонанса ω₀ к его активному сопротивлению.

.

б) Добротность последовательного контура показывает во сколько раз при последовательном резонансе напряжение на реактивном элементе контура больше подводимого извне. Для последовательного контура добротность рассматривается как множитель напряжения.

в) Добротность параллельного контура показывает во сколько раз на частоте параллельного резонанса ток каждой ветви контура больше тока неразветвленного участка; для параллельного контура добротность рассматривается как множитель тока.

Среди различных способов измерения добротности, индуктивности и емкости в электронных приборах получили распространение два:

- способ, основанный на явлении резонанса в LC – контуре;

- способ, основанный на сравнении частот 2-х генераторов, в колебательный контур одного из которых включается L_Х или C_Х.

*Упрощенная схема прибора, предназначенного для измерения Q, L_Х и C_Х резонансным способом (Q - метра) приведена на рисунке ниже.

Рисунок 1.3 - Упрощенная схема Q – метра.

На этом рисунке:

ПГ – перестраиваемый по частоте генератор;

μА – микроамперметр;

R₀ – резистор малого (≈0,05 Ом) сопротивления;

С₀ – образцовый переменный конденсатор;

V – электронный вольтметр;

L₀ – образцовая индуктивность.

В общем случае прибор (Q-метр) позволяет измерять полное сопротивление двухполюсников. Измеряемая индуктивность L_Х подключается к зажимам «аб». Измеряемая емкость С_Х подключается к зажимам «вг», а к зажимам «аб» при этом подключается образцовая индуктивность L₀.

Измерение добротности производится на частоте, устанавливаемой на ПГ. Изменяя емкость С₀ , добиваются резонанса в контуре по показаниям электронного вольтметра V. Определение добротности основано на свойстве последовательного колебательного контура при резонансе иметь на реактивных элементах напряжение в Q раз больше, чем приложенное к нему напряжение:

Шкала вольтметра V градуируется в единицах добротности для определенного значения тока I (устанавливается по шкале микроамперметра регулировкой выходного напряжения ПГ).

Измерение L_Х и C_Х основано на использовании соотношения

где - резонансная частота контура.

Расчет индуктивности выполняют по формуле

где С₀ – значение емкости образцового конденсатора при настроенном в резонанс контуре L_ХC₀.

Расчет емкости выполняют по формуле

где L₀ – индуктивность образцовой катушки, подключенной к зажимам «аб».

Рассмотренный способ измерений используется в низкочастотном измерителе добротности типа Е4-10 с диапазонами измерений: Q от 2 до 300; L_Х от 20∙10^-6 до 10 Гн; С_Х от 80 пФ до 0,1 мкФ. Относительная погрешность зависит от диапазона измерений и составляет ±(4…10)%.

*Принцип действия приборов, реализующих способ сравнения частот 2-х генераторов, иллюстрирует следующий рисунок:

Рисунок 1.4 – Схема прибора, реализующего способ сравнения

частот 2-х генераторов

На этом рисунке:

- Г₁ – генератор, перестраиваемый по частоте с помощью образцового конденсатора С₀;

- Г₂ – генератор, в колебательный контур которого включается измеряемая индуктивность L_Х или емкость С_Х;

- См – смеситель (устройство, выходной сигнал которого имеет частоту, равную разности частот генераторов Г₁ и Г₂);

- И – индикатор, фиксирующий нулевые биения частот на выходе смесителя;

- L₁ = L₂, С₁ = С₂ (параметры контуров генераторов одинаковые).

Перед измерениями при замкнутых зажимах «аб» и разомкнутыми «вг» генераторы настраивают на одинаковую частоту путем подстройки частоты Г₁ конденсатором С₀. Совпадение частот фиксируется индикатором И по нулевым биениям на выходе смесителя См. При включении в контур генератора Г₂ измеряемой емкости С_Х равенство частот нарушается – оно восстанавливается путем изменения емкости образцового конденсатора на величину ΔС₀; следовательно С_Х = ΔС₀. Процедура измерения индуктивности аналогична измерению С_Х (зажимы «аб» размыкают и к ним подключают измеряемую индуктивность). При равенстве частот генераторов

(С₀ + С₁) L₁ = (L₂ + L_Х) С₂ , откуда L_Х = L₁С₀ / С₂ = k С₀.

Следовательно, шкала образцового конденсатора может быть градуирована в единицах индуктивности.

Промышленный измеритель Е7-5А имеет следующие диапазоны измерения: L_Х от 0,05 мкГн до 10 мГн; С_Х от 1 пкФ до 500 пкФ при относительной погрешности измерения, не превышающей ±5%.

Наряду с измерительными приборами промышленность выпускает измерительные преобразователи электрического сопротивления, индуктивности и емкости в унифицированный электрический сигнал постоянного тока.