Тема 2 Вимірювання основних параметрів елементів електричних кіл

Тема 2 Вимірювання основних параметрів елементів електричних кіл Лекція 3 Вимірювання напруги, сили струму та параметрів електрорадіокіл

Питання лекції: 1. Загальні відомості про методи та принципи дії вимірювальних засобів 2. Вимірювання постійних, низькочастотних струмів і напруг 3. Методи вимірювання параметрів елементів електрорадіокіл. Вимірювальні мости Література: 1. (Л1). Бабенко В.В., Васильченко А.Ф. Метрологія та вимірювальна техніка. Вимірювальні прилади – Житомир: ЖВІРЕ, 2004, стор. 19-31. 2. (Л2.). Бабенко В.В. Метрологія та вимірювальна техніка. - Житомир: ЖВІРЕ, 1998, стор. 75-83, 90-95.

Мета лекції Розглянути загальні відомості про вимірювання напруги і сили струму в електрорадіоколах; різновиди засобів для вимірювання зазначених величин; методи та похибки вимірювань, що характерні для визначених методів.

1. Загальні відомості про методи та принципи дії вимірювальних засобів Для вимірювання напруг і струмів застосовують метод безпосередньої оцінки (прямого перетворення, прямої дії) і метод порівняння. Вимірювальним приладом, що реалізує метод прямого перетворення, називається прилад, в якому передбачено одне або декілька перетворень сигналу вимірювальної інформації в одному напрямку (тобто без застосування зворотного зв’язку). Вимірювальним приладом порівняння називається прилад, призначений для безпосереднього порівняння вимірювальної величини з мірою.

Узагальнена структурна схема приладу прямої дії Вимірювальний перетворювач перетворює вимірювану фізичну величину Х у деяку нову величину Y, під дією якої відбувається переміщення  рухомої частини вимірювального механізму, що призводить до зміни відліку на відліковому пристрої. Вимірювальний механізм будь-якого стрілкового приладу складається з рухомої та нерухомої частини.

Вимірювальний механізм прямої дії Вимірювальний механізм будь-якого стрілкового приладу складається з рухомої та нерухомої частини. Вплив одного обертаючого моменту (Мо) на рухому частину не дозволяє знайти залежність між значенням моменту та вимірюваною величиною, тому що рухома частина буде обертатись до граничного значення. Для того, щоб знайти таку залежність, треба створити протидіючий момент (Мп). Протидіючий момент Мп, як правило створюється механічно (за допомогою спіральних пружин) або електричним шляхом (за рахунок енергії поля).

Електромагнітні прилади Принцип дії приладу базується на взаємодії магнітного поля котушки, яке створюється струмом, що вимірюється, з феромагнітним осердям. Переваги: придатні для вимірювання струму та напруги в колах постійного та змінного струмів; не бояться перевантажень; низька вартість і простота виготовлення. Недоліки: шкала приладу нерівномірна (квадратична); порівняно велика похибка вимірювання (від 0,5% та вище); велика чутливість до зовнішніх магнітних полів; малий частотний діапазон.

Магнітоелектричні прилади Принцип дії базується на взаємодії магнітного поля постійного магніту та магнітного поля рамки, створюваного струмом, що вимірюється. Переваги: шкала рівномірна; мала похибка (0,05%) і велика чутливість; не бояться впливу зовнішніх магнітних полів. Недоліки: можна вимірювати тільки постійний струм; бояться електричного перевантаження (струм підводиться до рамки через спіральні пружини; чутливі до змін температури навколишнього середовища.

Електродинамічні прилади Принцип дії базується на взаємодії магнітних полів, які створюються системою рухомої та нерухомої котушок. Переваги: можуть застосовуватись в колах постійного та змінного струму; висока точність вимірювання (0,1%); володіють фазочутливими властивостями. Недоліки: шкала приладу нерівномірна; бояться впливу зовнішніх магнітних полів; малий частотний діапазон; чутливі до змін навколишньої температури.

Електростатичні прилади Принцип дії базується на взаємодії двох заряджених пластин, одна з яких рухома. Переваги: дуже мале споживання потужності від досліджуваного кола; незалежність показників від зовнішніх магнітних полів; широкий частотний діапазон; можна використовувати для вимірювання постійних та змінних напруги. Недоліки: мала чутливість; шкала нерівномірна; низька точність (від 1%); бояться впливу зовнішніх електричних полів.

2. Вимірювання постійних, низькочастотних струмів і напруг При вимірюванні струмів амперметр вмикається послідовно з навантаженням, що призводить до зміни режиму роботи схеми: - струм до увімкнення амперметра. - струм після увімкнення амперметра.

Відносна похибка метода вимірювання струму Для збільшення точності вимірювання необхідно збільшувати відношення Rн/Rа, тобто зменшувати Rа.

Для розширення діапазону вимірювання та побудови багатодіапазонних амперметрів застосовують: на постійному струмі – шунти; на змінному струмі – шунти та вимірювальні трансформатори. Шунт вмикають паралельно з амперметром (рис. 2). Розширення діапазону вимірювання струму: n – коефіцієнт шунтування.

Схеми під’єднання приладів Рис. 2. Під’єднання шунта Рис. 3. Під’єднання вольтметра

Розрахунок похибки вимірювання Падіння напруги (рис. 3) на опорі R2 до ввімкнення вольтметра: після ввімкнення вольтметра:

Похибка методу дорівнює Для зменшення похибки необхідно застосовувати вольтметри з великим опором Rv.

Для розширення діапазонів вимірювання використовують вимірювальні трансформатори та додаткові опори Рис. 4. Схема під’єднання додаткового опору

Розрахунок додаткового опору Ux=Uv+Uд, де m=Uх/Uv – коефіцієнт розширення меж вимірювання вольтметра. Недоліки: низький частотний діапазон; порівняно малий внутрішній опір. Тому широке розповсюдження отримали електронні вольтметри.

Принципи роботи електронних вольтметрів Електронними вольтметрами називаються вимірювачі напруги, що виконані на електронних лампах або напівпровідникових приладах. Рис. 5. Структурна схема електронного вольтметра

Характеристики електронного вольтметра: Переваги: великий діапазон величини (напруги), що вимірюється; широкий діапазон частот вимірюваної напруги; великий вхідний опір. Недоліки: великі габарити; додаткові джерела живлення; мала точність.

Складові електронного вольтметра: Вхідний пристрій призначений для зміни меж вимірювання напруги та забезпечення великого вхідного опору. Підсилювач призначений для збільшення чутливості вольтметра. Детектор перетворює змінну напругу в постійну. Залежно від місця вмикання детектора електронні вольтметри змінного струму можуть бути з детектором на вході або з підсилювачем на вході. Вольтметри з підсилювачем на вході мають велику чутливість, але обмежений частотний діапазон.

3. Методи вимірювання параметрів елементів електрорадіокіл. Вимірювальні мости 3.1. Методи вимірювання параметрів електрорадіокіл Вимірювання параметрів електрорадіокіл (ЕРК) можуть бути прямими і непрямими. Вони реалізуються методами: безпосередньої оцінки (наприклад, вимірювання опору омметром); порівняння, наприклад, диференціальний або нульовий метод при прямих вимірюваннях; заміщення в сполученні з явищами резонансу при непрямих вимірюваннях.

3.2. Вимірювання параметрів кіл методом вольтметра-амперметра Метод відноситься до непрямих методів безпосередньої оцінки і базується на вимірюванні струму та напруги в колах з опором RХ, котушкою індуктивності LХ або конденсатором СХ і подальшим розрахунком шуканої величини. Згідно з законом Ома для кіл змінного струму можна визначити приблизно, якщо знехтувати активними втратами в ємності та індуктивності, відповідно величину активного опору RХ, котушки індуктивності LХ або конденсатора СХ RХ=U/I; XL=U/I; XC=U/I; XL=ωLX; XC=1/ωCX; LX=U/ωI; CX=I/ωU. де ω – кутова частота напруги живлення.

3.3. Мостові схеми вимірювання параметрів ЕРК Міст постійного струму – це одинарний міст, що має чотири резистори (R1, R2, R3, R4), які з’єднані в кільцевий замкнутий контур, і які називаються плечами моста, а точки з’єднань сусідніх пліч – вершинами моста (див. рис. 6). Рис. 6. Схема моста постійного струму

Рівняння балансу Міст вважається зрівноваженим, якщо різниця потенціалів між вершинами моста С і D дорівнює нулю, а, значить і струм, що протікає через гальванометр, дорівнює нулю. Тобто повинна виконуватися умова С – D= 0. Для цього повинні виконуватися наступна умова I1RX=I2R3; I1R2=I2R4. Виразимо I1=I2R4/R2, тоді RXR4/R2=R3. Остаточно маємо RXR4=R3R2. Зазначений вираз є основним співвідношенням для балансу моста, а тому формулюється як умова рівноваги (балансу), тобто для того, щоб міст був зрівноваженим, добутки опорів протилежних пліч моста повинні бути однаковими. З цього витікає RX=R3/R4R2=kR3/R4.

Умова балансу В загальному випадку опори плеч моста змінного струму є комплексними опорами виду Zi=Ri+jXi. Із головного співвідношення балансу моста витікає: Zx·Z4=Z2·Z3. Якщо перейти до показникової форми комплексного числа, то де Zx·Z4=Z2·Z3 – умова балансу амплітуд; φх+φ4=φ2+φ3 – умова балансу фаз. Звідси витікає, що в схемі моста змінного струму баланс наступає лише при однаковості добутків модулів комплексних опорів протилежних пліч і однаковості сум їх фазових зсувів.

Міст змінного струму Використовується для вимірювання ємності конденсаторів, індуктивності котушок, добротності котушок та тангенса кута втрат конденсаторів. Рис. 6. Схема моста змінного струму

Висновки: 1. Вибір методів та приладів для вимірювання параметрів кіл залежить від величини вимірюваного параметра, точності, що вимагається отримати під час вимірювання та частотного діапазону. 2. Для збільшення частотного діапазону і внутрішнього опору під час вимірювання постійних та низькочастотних струмів і напруг бажано використовувати електронні вольтметри. 3. Мостові схеми, що використовуються для вимірювання опору, параметрів котушок індуктивності і параметрів конденсаторів, мають високу точність, високу чутливість, широкий діапазон вимірюваних значень параметрів. 4. На основі мостових методів вимірювання будуються засоби вимірювання, що призначені як для вимірювання певної однієї величини, так і універсальні аналогові та цифрові прилади.