Лабораторная работа №4 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ Цель работы - изучение методов и средств измерения параметров электрических цепей. Задание Получить у преподавателя указания и перечень объектов измерения. 1. Измерение активных сопротивлений. 1.1. Измерить сопротивление резисторов предоставленными измерительными средствами. 1.2. Измерить сопротивление резисторов способом амперметра и вольтметра. 1.3. Измерить сопротивление резисторов методом замещения с использованием вольтметра или амперметра. 1.4. Определить вольтамперную характеристику диода. По результатам измерений построить график. 2. Измерение параметров реактивных элементов. 2.1. Измерить емкости и тангенсы углов потерь конденсаторов. 2.2. Измерить индуктивности катушек индуктивности, их добротности, взаимную индуктивность трансформатора. Результат каждого измерения должен сопровождаться оценкой его точности (погрешности). МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Выбор метода измерения сопротивления и соответствующей измерительной аппаратуры зависит от значения измеряемого сопротивления, требуемой точности и условий, при которых производится измерение. На практике приходится измерять сопротивления в чрезвычайно широком диапазоне – от тысячных и миллионных долей Ома (например, при измерении сопротивления металлических контактов) до сопротивлений 1014 – 1015 Ом (например, при измерении сопротивления изоляционных материалов). Весьма различны и требования к точности измерений. Например, при поверке образцовых катушек сопротивлений допускаемая погрешность измерения обычно не превышает тысячных долей процента, а при измерении, например, сопротивления заземления погрешность 10 – 15 % является, в ряде случаев, вполне допускаемой. Для измерения сопротивлений используются следующие методы: – метод вольтметра и амперметра; – метод сравнения с образцовой мерой; – метод заряда и разряда конденсатора известной емкости. Для измерения сопротивлений можно пользоваться как аппаратурой общего назначения (амперметрами, вольтметрами, магазинами сопротивлений и др.), собирая соответствующие измерительные схемы, так и приборами, специально предназначенными для измерения сопротивлений (аналоговыми и цифровыми омметрами, мостовыми схемами и др.), позволяющими производить измерение удобнее и быстрее. Используемые методы и приборы для измерения сопротивлений в большой степени зависят от значения измеряемых сопротивлений, которые подразделяются на малые, средние, большие и сверхбольшие (табл. 1). Таблица 1 – Классификация сопротивлений Наименование сопротивлений Малые Средние Большие Сверхбольшие Значение сопротивлений, Ом <1 от 1 до 106 от 106 до 1012 > 1012 Наиболее универсальным методом измерения сопротивлений является метод вольтметра и амперметра. Этот метод может быть использован для измерения и малых, и средних, и больших сопротивлений. Схемы включения приборов при реализации метода вольтметра и амперметра приведены на рис. 3.1 (первый вариант) и на рис. 3.2 (второй вариант). A RA IA UП V RV Uv I1 R1 Рис. 3.1. Первый вариант включения приборов при измерении сопротивлений методом вольтметра и амперметра A RA IA UП Uv V RV IV R2 I2 Рис. 3.2. Второй вариант включения приборов при измерении сопротивлений методом вольтметра и амперметра На рис. 3.1 и 3.2 приняты следующие обозначения: UП – напряжение питания; IA – показание амперметра; UV – показание вольтметра; RV – внутреннее сопротивление вольтметра; RA – внутреннее сопротивление амперметра; IV – ток через вольтметр (вторая схема включения приборов); R1 – искомое сопротивление при первом варианте включения приборов; R2 – искомое сопротивление при втором варианте включения приборов; I1 = IA – ток через сопротивление R1 (первый вариант включения приборов); I2 – ток через сопротивление R2 (второй вариант включения приборов). Для обеих схем включения приборов измеряемые (искомые) сопротивления R1 и R2 могут быть приближенно оценены (в соответствии с законом Ома) по формулам R1' U V / I A , (3.1) R2' UV / I A , (3.2) где UV, IA – определены выше; R1' , R2' – значения сопротивлений, найденные по показаниям приборов. К недостаткам рассматриваемого метода измерения сопротивлений следует отнести использование двух приборов (вольтметра и амперметра) и необходимость проведения вычислений для получения искомого результата. Кроме того, нетрудно заметить, что при включении приборов по схеме рис. 3.1 отношение напряжения UV к току IA (см. выражение (3.1)) равно сумме искомого сопротивления R1 и сопротивления амперметра RA. Т.е. для получения значения искомого сопротивления с поправкой необходимо из результата по (3.1) вычесть значение RA: R1 R1' RA , (3.3) где R1 – значение искомого сопротивления с поправкой для первого варианта включения приборов («истинное» значение искомого сопротивления). При включении приборов по схеме рис. 3.2 ток IA является суммой токов IV и I2 (в соответствии с первым законом Кирхгоффа). Т.е. для получения значения искомого сопротивления с поправкой необходимо из тока IA (см. выражение (3.2)) вычесть ток IV. В этом случае значение искомого сопротивления с поправкой запишется в виде Uv R2 , (3.4) l A lv где R2 – значение искомого сопротивления с поправкой для второго варианта включения приборов («истинное» значение искомого сопротивления). Учитывая, что IV = UV / RV , значение R2 может быть получено в виде соотношения Uv R2 , (3.5) l A U v / RV где UV, IA, RV – определены выше. Кроме введения поправок, возможен и другой подход к решению рассматриваемой задачи по измерению сопротивлений методом вольтметра и амперметра. Другой подход заключается в определении искомых значений сопротивлений по (3.1) и (3.2) без поправок и в оценке возникающих при этом методических погрешностей. Абсолютная методическая погрешность измерения сопротивлений методом вольтметра и амперметра при использовании первого варианта включения приборов оценивается соотношением 1 R1' R1 , (3.6) где 1 – абсолютная методическая погрешность при первом варианте включения приборов; R1' – результат измерения по показаниям приборов (см. выражение (3.1)); R1 – «истинное» значение искомого сопротивления (см. выражение (3.3)). Подставляя в (3.6) значение R1 по (3.3), получим абсолютную методическую погрешность при первом варианте включения приборов: 1 RA (3.7) Относительная методическая погрешность при использовании первого варианта включения приборов запишется в виде 1 R 1 100 % 1 R A 100 %, (3.8) R1 где 1 – относительная методическая погрешность при первом варианте приборов. Абсолютная методическая погрешность измерения сопротивлений методом вольтметра и амперметра при использовании второго варианта включения приборов оценивается соотношением 2 R' R , 2 2 (3.9) где 2 – абсолютная методическая погрешность при втором варианте включения приборов; R2' – результат измерения по показаниям приборов (см. выражение (3.2)); R2 – «истинное» значение искомого сопротивления (см. выражение (3.5)). Отметим, что «истинными» значениями искомых сопротивлений R1 и R2 названы значения измеряемых сопротивлений с поправками. Результат измерения по показаниям приборов может быть записан в виде U Uv RR R2' v v 2 . (3.10) 1 1 IA U ( Rv R2 ) v R2 RV Подставляя в (3.9) значение R2' по (3.10), получаем 2 Rv R2 R22 R2 , Rv R2 Rv R2 2 R22 Rv R2 (3.11) Относительная методическая погрешность при использовании второго варианта включения приборов запишется в виде 2 2 R22 100% 100% , R2 R2 ( RV R2 ) 2 R2 (RV R 2) 100 %, (3.12) где 2 – относительная методическая погрешность при втором варианте включения приборов. Таким образом, методические погрешности при косвенном измерении искомого сопротивления методом вольтметра и амперметра оцениваются соотношениями (3.7) и (3.8) для первого варианта включения приборов и соотношениями (3.11) и (3.12) для второго варианта включения приборов. Отметим, что схема первого варианта включения приборов, приведенная на рис. 3.1, обеспечивает меньшие погрешности при измерении больших сопротивлений, а схема, приведенная на рис. 3.2 (второй вариант включения приборов), – при измерении малых сопротивлений. К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения. При полном замещении показания не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора. Преимущество метода замещения - в последовательном во времени сравнении измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Благодаря тому, что обе эти величины включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точностные возможности измерений значительно повышаются по сравнению с измерениями, проводящимися с помощью других разновидностей метода сравнения, где несимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей. Способ замещения применяется при электрических измерениях с помощью мостов переменного тока, условие равновесия которых определяется не только значениями величин, воспроизводимых элементами плеч моста, но также и влиянием паразитных токов, емкостей, индуктивностей и рядом других факторов. Эти причины вызывают появление погрешностей, которые могут быть исключены, если проводить измерения методом замещения. Для этого вначале мост уравновешивается с включенной в его цепь измеряемой величиной, которая затем замещается известной величиной, и мост уравновешивается вновь. Если при этом никаких изменений ни в мосте, ни во внешних условиях не происходит, то указанные выше погрешности исключаются почти полностью. Измерение индуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь мостами переменного тока Ряд распространенных схем мостов на переменном токе для измерения индуктивности и добротности катушек приведен на рис. 3.4. В них используются источники гармонического тока с амплитудой напряжения U и угловой частотой ω. Эти четырехплечие мосты обеспечивают наилучшую сходимость (уравновешивание). Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь, отраженных активным сопротивлением. а) б) Рис. 3.4. Схемы мостов для измерения индуктивностей и их добротностей с образцовыми элементами: а — катушкой; б — конденсатором Условие равновесия моста для схемы рис. 3.5, а имеет вид: R1 R x jLx R 2 (R 0 jL0 ) , (3.13) где Lx и Rx — измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь катушке; L0 и R0 - образцовые индуктивность и сопротивление. Приравняв действительные и мнимые члены формулы (3.13), получим: Lx L0 R2 / R1 ; Rx R0 R2 / R1 . (3.14) Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного тока применяется конденсатор (рис. 3.4, б). Для этой схемы: Rx jLx R2 R3 (1 / R0 jC0 ) . (3.15) Если приравнять отдельно в данном уравнении вещественную и мнимую части, получим следующие выражения для определения параметров катушки индуктивности: R x R 2R 3 / R 0 ; L x C0 R 2 R 3 . (3.16) Добротность катушки QX wLX / RX R0 wC0 . (3.17) Для измерения емкости и тангенса, угла потерь конденсаторов с достаточно малыми потерями применяют мостовую схему, представленную на рис. 3.5,а (последовательное соединение элементов Сх и Rx), а с большими потерями - на рис. 3.5, б (параллельное соединение элементов Сх и Rx). Условие равновесия для схемы рис. 3.5, а имеет вид: R 4 R x 1/( jCx ) R 2 R 0 1/( jC0 ) . Рис. 3.5. Схемы мостов для измерения емкости и тангенса угла потерь: а - с малыми потерями; б - с большими потерями потерями Разделив здесь вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров конденсатора: C x C 0 R4 / R2 ; Rx=R2Ro/R4. (3.18) Тангенс угла потерь конденсатора tg x Cx Rx C0 R0 . (3.19) Для моста с параллельным соединением Сх и Rx (рис. 3.5, б) условие равновесия запишется как: R 4R x (1 jC0R 0 ) R 2R 0 (1 jC x R x ). Отсюда C x C 0 R4 / R2 ; Rx=R2Ro/R4. (3.20) Тангенс угла потерь конденсатора при параллельной схеме его замещения: tg x 1/(Cx Rx ) 1/(C0 R0 ). (3.21) Поскольку условия уравновешивания моста зависят от частоты, то мостовые схемы измерения предназначены для работы на одной из определенных частот, например: 50,400,1000 Гц. Уравновешивание схем достигается поочередным регулированием переменных образцовых сопротивлений или емкостей. Эта процедура называется шагами, а количество шагов определяет сходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов. Мосты переменного тока работают на низких частотах 500... 5000 Гц. При работе на повышенных частотах погрешности измерения резко возрастают. Погрешность измерений моста переменного тока определяется погрешностями значений элементов образующих мост, переходных сопротивлений контактов, чувствительностью схемы и индикатора. Мосты переменного тока больше чем мосты постоянного тока подвержены влиянию помех и паразитных связей между плечами, плечами и землей, мостом и оператором. Поэтому, даже при тщательном экранировании моста и принятии других мер защиты, погрешности мостов переменного тока больше, чем погрешности мостов постоянного тока. Выпускаемые отечественной промышленностью уравновешенные мосты переменного тока обеспечивают погрешность измерения от 0,5 до 5 %. Резонансные методы измерения параметров элементов Резонансный метод измерения основывается на настройке в резонанс колебательного контура, составленного из образцового и измеряемого элементов (индуктивностей или емкостей) и определении его резонансной частоты. Этот метод применяется для измерения индуктивностей и емкостей только на высоких частотах, так как в области низких частот резонансные явления проявляются недостаточно резко, что не позволяет получить высокую точность измерения. С помощью резонансных схем осуществляют измерение путем замещения, при котором один и тот же эффект (например, резонанс на фиксированной частоте) повторяется дважды: первый раз - с измеряемым элементом второй - с мерой той же физической природы. За результат измерения принимают значение, равное величине меры при резонансе. Резонансные схем удобны при точных измерениях относительно малых значений индуктивностей и взаимной индуктивности, емкостей, тангенсов углов потерь конденсаторов и т.д. Наиболее универсальным прибором для измерения параметров цепей резонансным методом является куметр (от латинской буквы Q - характеристики добротности катушки индуктивности), в котором основная измерительная цепь - последовательный резонансный контур. Упрощенная структурная схема куметра показана на рис. 3.6. Рис. 3.6. Упрощенная структурная схема куметра Источником синусоидальных сигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератор тока, нагруженный на малое активное сопротивление R0 ≈ 0,05 Ом. Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах. Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (что контролируется по вольтметру VI). При измерении индуктивности исследуемую катушку подключают к жимам 1-2. В этом случае резонансный контур будет образован измеряемой индуктивности Lx с активными потерями RLх и межвитковой емкостью ее проводов CLх, а также перестраиваемой эталонной емкостью Cэ. Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением величины емкости Сэ эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура определяется по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротности Q. Измерение индуктивности Lх с учетом емкости CLх производят на двух резонансных частотах, которые можно вычислить следующим образом: f p1 1 ; 2 Lx (Cэ1 СLx ) f p2 1 , 2 Lx (Cэ2 СLx ) (3.22) где Сэ1 и Сэ2 - измеренные эталонные емкости при частотах fрl и fр2 соответственно. Пусть соотношение частот fpl = Kfp2, где коэффициент К - вещественное число. Тогда совместное решение уравнений (3.22) позволяет вычислить ранее неизвестные значения параметров LX И C LХ по формулам: Lx K2 1 (2f p1) (Cэ2 Сэ1) CL x 2 Cэ2 Сэ1K 2 K 1 2 . ; (3.23) (3.24) С помощью куметра можно также определять неизвестные параметры R, С, tgδc, подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3-4. Погрешности измерения куметром параметров L, С, tgδc, R составляют 1...5 % в зависимости от используемой схемы. Причинами появления этих погрешностей могут являться: нестабильность генератора, наличие в контуре постороннего сопротивления Ro, неточность шкалы конденсатора эталонной емкости Сэ, погрешности измерительных приборов VI, V2, погрешность считывания показаний. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Перед началом выполнения работы ознакомится со стендами, представленными на рис. 3.7 и 3.8. 1. Измерение активных сопротивлений. Объектами измерения, входящими в состав установки, являются: резисторы набора элементов и два набора резисторов. Разброс их сопротивлений подразумевает выбор средств измерений, обеспечивающих приемлемую (или заданную) точность и выбор необходимой (двух - или четырехзажимной) схемы включения объекта. При выборе средства для измерения сопротивления постоянному току руководствоваться соображениями, изложенными в методических рекомендациях. 1.1. Измерение сопротивления комбинированным прибором, мультиметром или омметром требует, как правило, предварительной регулировки «нуля» или чувствительности, или того и другого. Регулировку необходимо также осуществлять после смены предела измерения. 1.1.1. Измерить сопротивление резисторов R1-R3, R7 и R8 комбинированным прибором YX-360TR. 1.1.2. Определить предельную относительную погрешность результата по формуле (в процентах) kL /(xh), где k – показатель класса точности, L – длина равномерной шкалы в делениях, x – показание прибора (в Омах), h L / x - отношение приращения равномерной шкалы к радиальной проекции этого приращения на нелинейную шкалу в окрестностях показаний прибора (в делениях на Ом). Рис. 3.7 1.1.3. Результаты занести в таблицу вида Резисторы R1 R2 Сопротивление, Ом Погрешность, % Рис.3.8 R3 R7 R8 1.2. При измерении сопротивления мостом следует выбирать рекомендуемое соотношение плеч моста согласно нормативно-технической документации. Правильный выбор соотношения плеч позволяет получить результат измерения с минимально достижимой для данного средства погрешностью. Нуль-индикатор, встроенный в мост, снабжен регулятором чувствительности. Правильное управление чувствительностью в процессе измерения сокращает время, необходимое для уравновешивания моста. Начинают измерение при минимальной чувствительности нуль-индикатора и постепенно увеличивают ее до максимальной в конце измерения. Погрешность следует определять по формулам или таблицам, приведенным в нормативно-технической документации средства измерения. 1.3. Измерение сопротивления способом амперметра и вольтметра можно выполнить по двум схемам включения: в одном случае измеряется сумма напряжений на объекте и амперметре, в другом – измеряется ток через объект и вольтметр (см. рис.3.9). Рис. 3.9 1.3.1. Для различных значений напряжения U снять показания вольтметра V и амперметра А при включении переключателя S в положение 1. 1.3.2. Результат измерения Rx определить по формулам: Rx U x / I x с методической погрешностью м 100R А / R x (%) , где Ux и Ix показания соответственно вольтметра (V) и амперметра (А), RA – сопротивление амперметра. 1.3.3. При включении переключателя S в положение 2 результат измерений Rx определить по формулам: Rx U x / I x с методической погрешностью м 100 [ Rx /( Rx RV )] (%) , где RV – сопротивление вольтметра. 1.3.4. При необходимости в результат измерения внести поправку, равную абсолютной методической погрешности с обратным знаком. Скорректированный результат при этом R xc R x c , где c м R x / 100 . 1.3.5. Окончательный результат измерения записать в виде R И R xc R x , где R x R /100 , где предельная инструментальная относительная погрешность измерения равна сумме предельных измерения напряжения и тока, т.е. инструментальных относительных погрешностей R U I . Предельная инструментальная относительная погрешность измерения (приборами лабораторной установки) напряжения или тока U , I k (U K I K / U x I x ) , где Uk, Ik примененные пределы измерения вольтметра и амперметра соответственно, k=0,5 – класс точности встроенных приборов. 1.3 Метод замещения – метод измерения, при котором объект измерения и известная величина поочередно измеряются одним и тем же средством. Результат измерения рассчитывается по паре измеренных значений. Метод позволяет существенно повысить точность измерений при линейной характеристике преобразования измерительного средства. 1.3.1. Измерить сопротивление резисторов R1-R3 по схеме, приведенной на рис. 3.10.а. В качестве образцовых сопротивление применить резисторы RN1 , RN2 , RN3 , имеющих разброс в 0,5%. Показания амперметра А и результаты расчета внести в таблицу вида Резисторы R1 RN1 R2 RN2 Показания амперметра, А Сопротивление, Ом Относительная погрешность,% 1.3.2. Результаты измерений вычислить по формуле: R3 RN3 Rx RN I N / I X , где IN и IX –токи в образцовом и измеряемом сопротивлениях соответственно. 1.3.3. Оценить предельное значение относительной погрешности по формуле: x N И .Н I k / I N I N / I X 1 2 Д ,Н 2 К.В , где δИ.Н =0,15% - интегральная нелинейность цифрового преобразователя, δД.Н = 0,05% его дифференциальная нелинейность, δК.Н =0,05 – погрешность квантования. 1.3.4. Провести аналогично измерения сопротивлений по схеме, приведенной на рис. 3.10.б. 1.3.5. Результаты измерений вычислить по формуле: Rx RNU X / U N , где UN и UX –напряжения в образцовом и измеряемом сопротивлениях соответственно. 1.3.6. Оценить предельное значение относительной погрешности по формуле: x N И .НUk / U N U N / U X 1 2 Д , Н 2 К .В , а) б) Рис. 3.10 1.4. Определить вольтамперную характеристику диода (прямой ветви и начального участка обратной) по одной из схем, изображенных на рис. 3.11. а, б). При снятии вольтамперной характеристики следует начинать с малых значений напряжения UV, поскольку полупроводниковый переход обладает сильно выраженной нелинейностью. 1.4.1. При оценке погрешностей результатов измерений учесть рекомендации, изложенные в пунктах 1.2 и 1.3. а) б) Рис. 3.11 2. Измерение параметров реактивных элементов. 2.1. Измерение емкости и тангенса угла потерь производить с помощью универсального моста. Перед измерением мост необходимо подготовить к работе в соответствии с инструкцией по его применению. Особенность измерения указанных параметров мостами переменного тока состоит в том, что уравновешивание осуществляется управлением двумя параметрами моста. Поочередно переходя от регулировки одного параметра к другому, добиваются минимума показаний нульиндикатора. Отсчет оказаний по шкалам моста производят при уравновешенном мосте, т.е. при таком положении ручки «Чувствительность», когда малое изменение любого из параметров приводит к отклонению указателя нуль-индикатора в сторону больших показаний. 2.2. Процесс измерения индуктивности катушек индуктивности, их добротности, взаимной индуктивности трансформатора с помощью универсального моста схож с измерением величин пункта 2.1. Измерение взаимной индуктивности М трансформатора способом согласно и встречного включения двух обмоток (начало каждой обмотки помечено звездочкой). В этом случае измеряется индуктивность согласно включенных обмоток LC и индуктивность встречно включенных обмоток LВ. Взаимная индуктивность М=(LC - LВ)/4. Абсолютная погрешность измерения взаимной индуктивности ΔМ=(ΔLC -ΔLВ)/4, где ΔLC и ΔLВ абсолютные погрешности измерения LC и LВ. 2.2.1. Определение погрешностей измерений по пунктам 2.1 и 2.2 производить в соответствии с рекомендациями нормативно-технической документации примененного средства измерения. Контрольные вопросы 1. Какие параметры электрических цепей считаются сосредоточенными, а какие распределенными? 2. Перечислить методы измерения активных сопротивлений, дать краткую характеристику этим методам. 3. Укажите основные недостатки метода двух приборов измерения сопротивлений. 4. В чем состоит сущность метода замещения? 5. Мостовые методы измерения на переменном и постоянном токе. Чем отличаются условия равновесия четырехплечего моста на переменном токе от условия равновесия на постоянном токе? 6. Приведите схемы мостов для измерения параметров L,C,R и tgδ. 7. Укажите основные преимущества мостовых схем измерения параметров элементов. 8. Нарисовать упрощенную функциональную схему куметра и объяснить его принцип действия. Литература Метрология и радиоизмерения /В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др./Под ред. профессора В.И. Нефедова. - М.: Высш. шк., 2006. с. 352-385.