Измерение емкостей и индуктивностей
Элементов, содержащих емкость и индуктивность в чистом виде, не существует. Всегда в емкости и индуктивности присутствует активное сопротивление R . На практике емкость и индуктивность упрощенно представляют схемой замещения. На рис. 10.11 показана последовательная схема замещения конденсатора и соответствующая ей векторная диаграмма. Общее напряжение U на конденсаторе представляет собой векторную сумму активной IR и емкостной I/ωС составляющих. Тангенс угла потерь в этой схеме tgδ=RωC.
I I U
C R ωC R
δ I Rφ tg δ = XC = RωC
I
а) б)
Рис. Последовательная схема замещения конденсатора:
а) схема; б) – векторная диаграмма.
I R I UωC U
1
C φ U/R δ tgδ = RωC
Рис. 10.12. Параллельная схема замещения конденсатора: а) – схема; б) – векторная диаграмма.
На рис. 10.12 показана параллельная схема замещения конденсатора. В этом случае ток содержит две составляющих: активную U/R и емкостную UωC. Тангенс угла потерь tg δ= 1/RωC.
При измерении индуктивности катушки схему замещения представляют в виде последовательного включения индуктивности L и сопротивления потерь R - рис. 10.13. Катушки индуктивности характеризуют добротностью Q=ωL/R.
Таким образом, для измерения параметров конденсаторов и катушек индуктивности, необходимы методы, позволяющие производить раздельное измерение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления. Лучше всего в этом случае использовать мостовые методы, реализуемые мостами переменного тока.
I1 I2
~ U
Cx C0 C
Рис. 10.13. Логометрический фарадометр.
токов заключается в измерении падения напряжения на образцовом резисторе при помощи потенциометра (компенсатора) постоянного тока. При этом можно обеспечить точность 0,5 % при токах не менее 108 А. Примерно такой же чувствительностью и точностью обладают некоторые цифровые амперметры (пикоамперметры), принцип действия которых сводится к измерению падения напряжения на образцовом резисторе цифровым милливольтметром.
Для измерения малых напряжений используются магнитоэлектрические гальванометры, компенсаторы постоянного тока, цифровые микровольтметры и стрелочные милливольтметры (самостоятельно или в сочетании с электронным усилителем).
Стрелочные магнитоэлектрические милливольтметры могут измерять напряжения начиная с 10-4 В при классе точности 0,2-0,5.
Чувствительность гальванометров гораздо выше - до 10-7 – 10-8 В при таком же классе точности.
Потенциометры (компенсаторы) превосходят гальванометры по точности и входному сопротивлению, но уступают по чувствительности: 10-5 - 10-6 В. Примерно такие же возможности цифровых милливольтметров: 10-5 В, 0,5%.
Для измерения очень слабых напряжений, порядка 10-7 В, используют также серийные нановольтметры на базе фотогальванометрического усилителя. Электронные микровольтметры имеют хуже чувствительность, но значительно большее входное сопротивление.
Измерение средних значений постоянных токов и напряжений 10 мA - 100 А, 1 мВ - 600 В наиболее часто встречается в метрологической практике. Используются прямые и косвенные методы измерения токов, и только прямые методы измерения напряжений. В указанном диапазоне работают электромеханические стрелочные приборы различных систем, а также многие электронные и цифровые приборы.
Магнитоэлектрические приборы могут измерять непосредственно токи от 1 мкA – до 6 к А, а напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ. Обычный класс точности 0,1 – 0,2. Обладают малым потреблением мощности.
Электродинамические приборы измеряют токи от 10 мА до 100 А и напряжение от 100 мВ до 600 В. По точности эквивалентны магнитоэлек-
трическим приборам, но потребляют гораздо большую мощность и имеют
неравномерную шкалу.
Электромагнитные приборы могут измерять токи от 10 мА до 200А и напряжения от 1 В до 75 В. Классы точности 0,2 - 0,5. Главное их преимущество - нткая стоимость.
Электростатические вольтметры работают в диапазоне от 10 В до сотен кВ с классами точности 0,5 - 1,5. Эти приборы очень сложны, дорогие и выпускаются в малом количестве. Используются в тех случаях, когда недопустимо потребление энергии от измеряемой цепи.
Электронные приборы имеют широкий диапазон измерении, но невысокую точность: классы 0,5 - 1,0 для лучших образцов.
Наиболее точное измерение можно осуществить с помощью потенциометров (компенсаторов) постоянного тока (класс точности 0,001-0,002) и цифровых вольтметров и амперметров (класс точности 0,005-0,02).
Измерение больших постоянных токов и напряжений - килоамперы и киловольты.
IA UA
Iv I
Rx Uv U Rx
Рис. 10.7. Метод амперметра-вольтметра при измерении
сопротивлений: а) – малых; б) – больших.
Метод амперметра-вольтметра - это косвенный метод, основанный на раздельном измерении тока в цепи измеряемого сопротивления и напряжения на его зажимах и последующем вычислении Rх=U/I. Схемы включения приборов показаны на рис. 10.7: а) - при измерении относительно малых сопротивлений, б) - больших сопротивлений. При измерении по схеме рис. 10.7, а)
U U Rx
R ═ ──── ═ ─────── ═ ────────
I+IV U/Rx+U/RV 1 + Rx/RV
На ошибку измерений δ= – Rx/RV влияет только вольтметр.
При измерении по схеме рис. 10.7, б)
U+UA IARx+IARA
R= ———— = —————— = Rx + RA
IA IA
В этом случае на ошибку δ=RA/Rx влияет только амперметр. Зная параметры приборов Rv и RA , ошибку измерения можно устранить.
В том случае, если известно напряжение источника, то вольтметр можно исключить, проградуировав амперметр в единицах сопротивления, как это делается в большинстве омметров многопредельных ампервольтметров. На рис. 10.8. а) показано измерение Rх при его последовательном с амперметром включении.
Угол поворота подвижной части измерительного механизма
α ═ ───────── ; Rx > Rg + RA
Rg + RA + Rx
При помощи Rg отстраивают положение нуля при закороченных выводах. Шкала нелинейная, нулевая отметка справа.
Rg ∞ 0 Rg ∞ 0
E Rx E Rx
а) б)
Рис. 10.8. Схема омметра с последовательным (а) и параллельным
(б) включением измеряемого сопротивления.
Точность таких измерений можно обеспечить до 0,1 %.
Для измерения больших токов и напряжений используются те же приборы, но включенные через измерительные трансформаторы тока или напряжения.
При измерении на высоких частотах необходимо учитывать индуктивность и емкость прибора. С ростом частоты входная емкость приводит к уменьшению входного сопротивления, что ограничивает область применения прибора.
Для измерения высокочастотных токов используются амперметры термоэлектрической системы, имеющие минимальный предел измерений 10 мА в диапазоне частот до 300 МГц при уровне погрешности 3 - 5 %.
Для измерения высокочастотных напряжений используются электронные (20 Гц - 1000 МГц, 4-6 %), термоэлектрические (до 10 МГц, 1,5 %) и электростатические (до 10 МГц, 1 %) вольтметры. В звуковом диапазоне частот могут работать вольтметры выпрямительной системы. Наиболее высокую точность (0,5-1,0 %) обеспечивают цифровые вольтметры в диапазоне частот до 1 МГц. На более низких частотах их точность существенно возрастает.